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专利名称：大规模重叠网格的前置并行均衡方法、设备及存储介质

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202411246211.3

专利申请（专利权）人：中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所
权利人地址：四川省绵阳市涪城区二环路南段6号

专利发明（设计）人：孟德虹,翟丽君,岳皓,洪俊武,李伟,王昊,陈刚,孙岩,戚宇航,李荣杰,杨继波,王瑞

专利摘要：本发明公开了一种大规模重叠网格的前置并行均衡方法、设备及存储介质，包括S1：进行首次重叠网格前置处理，将各核插值单元进行平均分配；全局搜索每个插值单元，记录每个插值单元的搜索时间，并对搜索时间进行加权平均；S2：进行非首次重叠网格前置处理，按照上次重叠网格前置处理的加权结果对插值单元进行重新分配；将权重系数之和大于预设阈值的计算核的超出信息发送至根进程，并令权重系数之和小于预设阈值的计算核接收超出信息；S3：重复步骤S2，直到迭代完成。本发明无需手工干预，在流场动态求解的迭代过程中自动对各核的重叠网格前置搜索过程进行全局均衡，实时分配边界单元数量；大大提高重叠网格前置处理的并行效率，缩短搜索时间。

主权利要求：
1.一种大规模重叠网格的前置并行均衡方法，其特征在于，包括：
S1：进行首次重叠网格前置处理，将各核插值单元进行平均分配；全局搜索每个插值单元，记录每个插值单元的搜索时间，并对搜索时间进行加权平均；
S2：进行非首次重叠网格前置处理，按照上次重叠网格前置处理的加权结果对插值单元进行重新分配；将权重系数之和大于预设阈值的计算核的超出信息发送至根进程，并令权重系数之和小于预设阈值的计算核接收所述超出信息；之后，进行全局搜索，记录每个插值单元的搜索时间，并对搜索时间进行加权平均；
S3：重复步骤S2，始终按照上次重叠网格前置处理的加权结果作为分配依据，直到迭代完成；
在上述S1中，
所述对搜索时间进行加权平均包括：
记录每个网格单元的搜索时间，并在全局搜索完成后利用所有边界单元的总搜索时间进行加权平均；令搜索时间慢的单元权重系数大于预设阈值，搜索时间快的单元权重系数小于预设阈值，并创建数组保存各单元的权重系数；
所述搜索时间的确定包括：
在进行搜索前，首先判断重叠网格的中心点是否位于待搜索的封闭包络面之内，以确定其是否为重叠插值的边界单元，如果是，找出该边界单元在待插值空间网格中所属的单元标号；
所述搜索时间包括找出该边界单元在待插值空间网格中所属的单元标号过程的全部cpu用时；
在上述S2中，所述超出信息包括包括该插值单元的中心点xyz坐标，所属计算核标号，所属计算块标号，在计算块中的jkl三方向序号，将要被发送至的计算核标号，被发送的计算块标号。
2.根据权利要求1所述的一种大规模重叠网格的前置并行均衡方法，其特征在于，所述将各核插值单元进行平均分配，包括：在第一个迭代时间步进行重叠网格前处理时，按照总插值单元数量对各核进行平均分配。
3.根据权利要求1所述的一种大规模重叠网格的前置并行均衡方法，其特征在于，在上述步骤S2中，对于权重系数之和大于平均权重阈值的计算核分类为慢核，将其核中超出部分的单元信息发送至根进程；
所述根进程完成所有慢核的超出单元信息收集后，对单元信息重新组合分配，将超出部分的单元信息发送至权重系数之和小于平均权重阈值的计算核，所述权重系数之和小于平均权重阈值的计算核分类为快核。
4.根据权利要求3所述的一种大规模重叠网格的前置并行均衡方法，其特征在于，将权重系数之和处于平均权重阈值区间的计算核分类为普核，不对其进行处理。
5.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至4任一项所述大规模重叠网格的前置并行均衡方法的步骤。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述大规模重叠网格的前置并行均衡方法的步骤。 说明书 : 大规模重叠网格的前置并行均衡方法、设备及存储介质技术领域[0001] 本发明涉及流体力学数值模拟领域，具体而言，涉及大规模重叠网格的前置并行均衡方法、设备及存储介质。背景技术[0002] 随着大规模CFD(ComputationalFluidDynamics)计算在当前工业应用中的重要性日益提高，对CFD不同模拟技术的发展需求也更加突出。主流CFD计算分为结构网格方法和非结构网格方法两大类，而结构网格方法由于其效率好、精度高的特点，一直在CFD领域中占据重要地位。[0003] 在CFD结构网格方法的数值模拟中，重叠网格技术通过切断空间网格的连续拓扑，可以大大降低网格生成难度，提高对复杂外形的适应能力，在当前的CFD复杂外形模拟以及动态模拟，包括机翼变形、桨叶旋转、导弹抛罩等运动过程的模拟中获得了广泛应用。重叠网格技术在流场模拟之前需要进行前置处理，以获得其插值边界单元的插值关系，其耗时操作是通过判断某个空间点是否位于待搜索的封闭包络面之内来获得边界单元位置，并找出该边界单元在待插值空间网格中所属的单元标号。对这一插值搜索问题，在串行时代已经发展了多种较为成熟的算法。[0004] 近年来，CFD计算规模从早期的上万网格单元发展至主流的千万网格单元，计算模式也从串行计算变为并行计算，然而，目前的并行算法研究主要集中在流场并行计算方面，像搜索重叠网格插值关系等前置处理方法，成熟方法并不多，且大多对大规模计算适应性不好，当计算核数超过千核时，由于不同核并行计算量的非均匀性，会导致个别计算核搜索过程非常缓慢，不同核的搜索时间可能会相差十倍以上，由于并行计算时间取决于最慢计算核的耗时，因此这种不均匀性会严重影响全局并行效率。特别是进行动态数值模拟时，由于运动过程中每一个时间步都要进行重叠网格前处理，完成一个动态过程的模拟需要几百甚至上千个时间步，因此在反复大量的搜索中，这种由于并行搜索速度不均匀、各核效率差异大的问题会更加突出，亟需一种高效、高均匀度的并行方法来遏制不同计算核的病态时间分布。发明内容[0005] 有鉴于此，本发明提供大规模重叠网格的前置并行均衡方法、设备及存储介质，以解决上述问题。[0006] 为解决以上技术问题，本发明提供了一种大规模重叠网格的前置并行均衡方法，包括：[0007] S1：进行首次重叠网格前置处理，将各核插值单元进行平均分配；全局搜索每个插值单元，记录每个插值单元的搜索时间，并对搜索时间进行加权平均；[0008] S2：进行非首次重叠网格前置处理，按照上次重叠网格前置处理的加权结果对插值单元进行重新分配；将权重系数之和大于预设阈值的计算核的超出信息发送至根进程，并令权重系数之和小于预设阈值的计算核接收超出信息；之后，进行全局搜索，记录每个插值单元的搜索时间，并对搜索时间进行加权平均；[0009] S3：重复步骤S2，始终按照上次重叠网格前置处理的加权结果作为分配依据，直到迭代完成。[0010] 作为一种可选方式，将各核插值单元进行平均分配，包括：[0011] 在第一个迭代时间步进行重叠网格前处理时，按照总插值单元数量对各核进行平均分配。[0012] 作为一种可选方式，对搜索时间进行加权平均包括：[0013] 记录每个网格单元的搜索时间，并在全局搜索完成后利用所有边界单元的总搜索时间进行加权平均；令搜索时间慢的单元权重系数大于预设阈值，搜索时间快的单元权重系数小于预设阈值，并创建数组保存各单元的权重系数。[0014] 作为一种可选方式，搜索时间的确定包括：[0015] 在进行搜索前，首先判断重叠网格的中心点是否位于待搜索的封闭包络面之内，以确定其是否为重叠插值的边界单元，如果是，找出该边界单元在待插值空间网格中所属的单元标号；[0016] 搜索时间包括找出该边界单元在待插值空间网格中所属的单元标号过程的全部cpu用时。[0017] 作为一种可选方式，在上述步骤S2中，对于权重系数之和大于平均权重阈值的计算核分类为慢核，将其核中超出部分的单元信息发送至根进程；[0018] 根进程完成所有慢核的超出单元信息收集后，对单元信息重新组合分配，将超出部分的单元信息发送至权重系数之和小于平均权重阈值的计算核，权重系数之和小于平均权重阈值的计算核分类为快核。[0019] 作为一种可选方式，超出部分的单元信息包括包括该插值单元的中心点xyz坐标，所属计算核标号，所属计算块标号，在计算块中的jkl三方向序号，将要被发送至的计算核标号，被发送的计算块标号。[0020] 作为一种可选方式，将权重系数之和处于平均权重阈值区间的计算核分类为普核，不对其进行处理。[0021] 另一方面，本发明提供了一种电子设备，作为一种可选方式，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行计算机程序时实现上述大规模重叠网格的前置并行均衡方法的步骤。[0022] 另一方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，作为一种可选方式，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述大规模重叠网格的前置并行均衡方法的步骤。[0023] 本发明的有益效果为：[0024] 无需手工干预，在流场动态求解的迭代过程中自动对各核的重叠网格前置搜索过程进行全局均衡，实时分配边界单元数量，以保证各计算核的搜索时间尽可能相同；大大提高重叠网格前置处理的并行效率，缩短搜索时间。附图说明[0025] 图1为本发明实施例提供的大规模重叠网格的前置并行均衡方法步骤示意图；[0026] 图2为本发明实施例提供的重叠网格模拟示意图。具体实施方式[0027] 为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。[0028] 在CFD重叠网格动态并行计算中需要对运动物面进行多时间步计算，随物面运动的每一个时间步都需要进行前置处理，以确定重叠边界单元的插值关系。但在并行切块后的重叠网格前置处理过程中，由于各计算核上待搜索插值单元的数量不同，各单元的搜索速度也不一致，导致各核搜索时间差异很大并严重降低并行效率。针对这一问题，本实施例提出解决技术方案如下：[0029] 请参阅图2，在动态计算的初始位置，也就是首次重叠网格前置处理过程中，针对不同计算核上重叠边界单元数量不一致的情况，进行统一分配，按总插值单元数量对各核进行平均分配，保证各核需要进行搜索的插值单元数量一致。由于各单元实际搜索所需时间并不相同，在每个单元搜索完成后记录其消耗时间，并在全局搜索完成后利用所有边界单元的总搜索时间进行加权平均，在后续搜索中，分配各单元数量时不再以插值单元数量进行分配，而是按照加权后的单元权重进行分配。这个权重系数随着物面位置变化和流场计算推进，一直在动态变化，并始终保持各核搜索时间尽可能相同。[0030] 请参阅图1，本实施例是这样实现的：[0031] S1：进行首次重叠网格前置处理，将各核插值单元进行平均分配；全局搜索每个插值单元，记录每个插值单元的搜索时间，并对搜索时间进行加权平均；[0032] S2：进行非首次重叠网格前置处理，按照上次重叠网格前置处理的加权结果对插值单元进行重新分配；将权重系数之和大于预设阈值的计算核的超出信息发送至根进程，并令权重系数之和小于预设阈值的计算核接收超出信息；之后，进行全局搜索，记录每个插值单元的搜索时间，并对搜索时间进行加权平均；[0033] S3：重复步骤S2，始终按照上次重叠网格前置处理的加权结果作为分配依据，直到迭代完成。[0034] 上述步骤落实到本实施例中，在第一个迭代时间步进行重叠网格前处理时，按照总插值单元数量对各核进行平均分配，保证各核需要进行搜索的插值单元数量基本一致；同时记录每个网格单元的搜索时间，并在全局搜索完成后利用所有边界单元的总搜索时间进行加权平均，搜索时间慢的单元权重系数大于1，搜索时间快的单元权重系数小于1，并创建数组保存各单元的权重系数。[0035] 第二个迭代时间步进行重叠网格前处理时，在各核分配网格单元数量时不再按插值单元数量进行分配，而是按照上一步加权后的单元权重进行分配，保证各计算核上获得的插值单元权重系数之和尽可能相等。[0036] 对于权重系数之和大于平均权重5%及以上的计算核（本实施例定义为慢核），需要将本核中超出部分的单元信息（超出部分的单元信息包括包括该插值单元的中心点xyz坐标，所属计算核标号，所属计算块标号，在计算块中的jkl三方向序号，将要被发送至的计算核标号，被发送的计算块标号）发送给根进程。根进程完成所有慢核的超出单元信息收集后，对单元信息重新组合分配，将超出单元信息发送至权重系数之和小于平均权重5%及以上的计算核（本实施例定义为快核），并保证各核权重系数之和处于平均权重加减5%之间。对于原本权重系数之和就处于平均权重加减5%之间的计算核（本实施例定义为普核），则不做任何处理。[0037] 具体的，搜索时间的确定包括：在进行搜索前，首先判断该空间重叠网格的中心点是否位于待搜索的封闭包络面之内，以确定其是否为重叠插值的边界单元，如果是，找出该边界单元在待插值空间网格中所属的单元标号；搜索时间包括找出该边界单元在待插值空间网格中所属的单元标号过程的全部cpu用时。[0038] 各计算核完成发送或者接收后，进行常规搜索操作，并记录各单元搜索时间，在全局完成搜索后重新加权，并保存各单元权重系数；需要注意的是，尽管普核与平均权重存在5%左右的差量，但是考虑到数据发送和接收也需要消耗一定时间，如果普核也参与发送的话，不一定会取得正向时间收益，因此对普核的轻微偏离不予处理。[0039] 后续每一个迭代时间步，均重复步骤2，各核始终使用上一步获得的权重系数作为分配依据，并保证所有核上的权重系数基本相同，直到迭代完成。由于重叠网格运动中每两个时间步之间，时间和位移间隔都很。虼讼嗔诹礁鍪奔洳降闹氐网格插值关系相差不大，用上一时间步的权重系数来代替当前时间步的做法是合理可行的。这个用搜索时间权重来代替单元数量进行分配插值单元的方法，具有更加良好的均匀性。[0040] 请再次参阅图1，图1为本实施例的实现流程图。上述流程通过在重叠网格运动过程中的动态分配方法，保证了各计算核上边界单元搜索时间基本相同，解决了传统插值方法中各核插值单元随机分配造成的搜索时间严重不均匀问题，能够大大提高重叠网格动态过程中的前置处理效率。[0041] 通过上述方案，传统方法是在重叠网格前置过程中，由并行切块时的初始分配结果来决定各核上重叠网格的边界单元数量，随机性很大，造成各核搜索时间严重不均匀，影响并行效率；本方法通过全局管理统一分配插值单元，并引入动态过程中前一迭代步的各单元搜索时间进行加权，保证各核完成前置搜索的时间基本相等，大大提高并行效率。[0042] 另一方面，本实施例还提供了一种电子设备，电子设备可以是任何类型的静止或移动计算设备，包括移动计算机或移动计算设备（例如，平板计算机、个人数字助理、膝上型计算机、笔记本计算机、上网本等）、移动电话（例如，智能手机）、可佩戴的计算设备（例如，智能手表、智能眼镜等）或其他类型的移动设备，或者诸如台式计算机或PC的静止计算设备。电子设备还可以是移动式或静止式的服务器。[0043] 作为一种可选方式，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行计算机程序时实现：[0044] S1：进行首次重叠网格前置处理，将各核插值单元进行平均分配；全局搜索每个插值单元，记录每个插值单元的搜索时间，并对搜索时间进行加权平均；[0045] S2：进行非首次重叠网格前置处理，按照上次重叠网格前置处理的加权结果对插值单元进行重新分配；将权重系数之和大于预设阈值的计算核的超出信息发送至根进程，并令权重系数之和小于预设阈值的计算核接收超出信息；之后，进行全局搜索，记录每个插值单元的搜索时间，并对搜索时间进行加权平均；[0046] S3：重复步骤S2，始终按照上次重叠网格前置处理的加权结果作为分配依据，直到迭代完成。[0047] 上述为本实施例的一种计算设备的示意性方案。需要说明的是，该计算设备的技术方案与上述的大规模重叠网格的前置并行均衡方法的技术方案属于同一构思，计算设备的技术方案未详细描述的细节内容，均可以参见上述大规模重叠网格的前置并行均衡方法的技术方案的描述。[0048] 另一方面，本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，作为一种可选方式，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现：[0049] S1：进行首次重叠网格前置处理，将各核插值单元进行平均分配；全局搜索每个插值单元，记录每个插值单元的搜索时间，并对搜索时间进行加权平均；[0050] S2：进行非首次重叠网格前置处理，按照上次重叠网格前置处理的加权结果对插值单元进行重新分配；将权重系数之和大于预设阈值的计算核的超出信息发送至根进程，并令权重系数之和小于预设阈值的计算核接收超出信息；之后，进行全局搜索，记录每个插值单元的搜索时间，并对搜索时间进行加权平均；[0051] S3：重复步骤S2，始终按照上次重叠网格前置处理的加权结果作为分配依据，直到迭代完成。[0052] 上述为本实施例的一种计算机可读存储介质的示意性方案。需要说明的是，该存储介质的技术方案与上述的大规模重叠网格的前置并行均衡方法的技术方案属于同一构思，存储介质的技术方案未详细描述的细节内容，均可以参见上述大规模重叠网格的前置并行均衡方法的技术方案的描述。[0053] 本申请一实施例还提供一种芯片，其存储有计算机程序，该计算机程序被芯片执行时实现所述大规模重叠网格的前置并行均衡方法的步骤。[0054] 上述对本申请特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。[0055] 所述计算机指令包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（ROM，Read?OnlyMemory）、随机存取存储器（RAM，RandomAccessMemory）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。[0056] 需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本申请所必须的。[0057] 以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

专利地区：四川

专利申请日期：2024-09-06

专利公开日期：2024-11-22

专利公告号：CN118761358B