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A second order finite difference-spectral method for space fractional diffusion equations

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Science China Mathematics 2014年第6期57卷 1303-1317页

作者： HUANG JianFei nie ningming TANG YiFa LSEC ICMSECAcademy of Mathematics and Systems ScienceChinese Academy of Sciences Supercomputing Center Computer Network Information CenterChinese Academy of Sciences

A high order finite difference-spectral method is derived for solving space fractional diffusion equations,by combining the second order finite difference method in time and the spectral Galerkin method in space.The stability and error estimates of the temporal semidiscrete scheme are rigorously discussed,and the convergence order of the proposed method is proved to be O(τ2+Nα-m)in L2-norm,whereτ,N,αand m are the time step size,polynomial degree,fractional derivative index and regularity of the exact solution,respectively.Numerical experiments are carried out to demonstrate the theoretical analysis.

关键词：分数阶扩散方程二阶有限差分法差分光谱法求解空间 Galerkin方法时间步长分数阶导数误差估计

面向结构动力学计算的撕裂有限元方法异构并行优化

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数值计算与计算机应用 2024年第2期45卷 115-135页

作者：聂宁明姚柯寒曾艳冯仰德王珏李顺德张纪林万健林克豪高岳王彦棡王宗国中国科学院计算机网络信息中心北京100190 杭州电子科技大学计算机学院杭州310018 中国原子能科学研究院北京102413

本文结合大规模撕裂有限元方法和Newmark积分法,对结构动力学问题进行高精细的大规模并行求解.面向异构平台,设计了结点间和结点内的多级动静结合的负载均衡策略.在结点间,根据撕裂有限元方法划分子域边界特点,采用域边界平衡的图二分算... 详细信息

本文结合大规模撕裂有限元方法和Newmark积分法,对结构动力学问题进行高精细的大规模并行求解.面向异构平台,设计了结点间和结点内的多级动静结合的负载均衡策略.在结点间,根据撕裂有限元方法划分子域边界特点,采用域边界平衡的图二分算法,均衡各个子域的计算量;在结点内,根据异构平台计算单元的性能差异,进行了计算负载的动态优化.针对核心计算模块批量矩阵向量乘进行多流并行优化,提升面向异构计算平台的利用率.本文优化已经集成到结构力学高性能数值模拟软件HARSA-feti中,实验采用真实反应堆核燃料组件的流致振动仿真作为算例,结果表明模拟性能提高了71.3%以上,首次实现了百亿网格规模的全堆芯燃料棒组件的高精细模拟,相较于1000块GPU,16000块GPU的强、弱可扩展并行效率分别达到74.1%和81.1%.

关键词：结构动力学大规模并行计算负载均衡异构计算矩阵向量乘

基于Burgers向量提取与分析的改进PRD算法在位错环模拟中的应用

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原子能科学技术 2023年第8期57卷 1614-1624页

作者：徐鑫铖聂宁明王瑾贺新福曾艳张纪林王珏万健杭州电子科技大学浙江杭州310018 中国科学院计算机网络信息中心北京100190 中国原子能科学研究院北京102413

RAFM钢经中子辐照后会产生两种类型的间隙位错环(1/2〈111〉环和〈100〉环),导致长时间服役后出现辐照硬化与脆化现象,因此理清不同类型位错环的形成与转变过程对材料微结构演化及性能预测具有重要意义。本文基于加速分子动力学中的并... 详细信息

RAFM钢经中子辐照后会产生两种类型的间隙位错环(1/2〈111〉环和〈100〉环),导致长时间服役后出现辐照硬化与脆化现象,因此理清不同类型位错环的形成与转变过程对材料微结构演化及性能预测具有重要意义。本文基于加速分子动力学中的并行副本复制法(PRD),通过分析位错环转变的机理特性,提取Burgers向量,改进了PRD在位错环模拟上的应用,实现了〈100〉环向1/2〈111〉环的加速转变现象模拟。结果表明:在1000 K下,采用改进PRD算法程序进行模拟,小尺寸〈100〉环会发生向1/2〈111〉环的转变,转变时间比传统分子动力学方法更快;大尺寸〈100〉环会出现〈100〉位错段和1/2〈111〉位错段共存的状态,甚至在带有Ni溶质元素的〈100〉环中还发现了完全转变到1/2〈111〉位错环的现象。此外,对程序模拟的准确性进行验证并分析评估了加速性能与并行性能,通过与原PRD算法对比,发现其并行效率远高于原PRD,并行效率在90%左右,且并行规模的增加对于并行性的影响不大,可以很好地进行大规模并行扩展。

关键词：位错环 Burgers向量加速分子动力学大规模并行计算位错环转变

指数时间差分方法在材料辐照损伤模拟计算中的应用

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原子能科学技术 2021年第7期55卷 1230-1240页

作者：辛之夼聂宁明贺新福王彦棡吴石王珏中国科学院计算机网络信息中心北京100190 中国科学院大学计算机科学与技术学院北京100049 中国原子能科学研究院北京102413

速率理论是一种用于模拟辐照诱导材料微观结构长时间演变过程的重要方法,其计算难点在于对大规模刚性的速率理论方程的数值求解。本文首次采用指数时间差分方法实现对速率理论方程的并行数值求解,分别给出了指数时间差分方法在热老化导... 详细信息

速率理论是一种用于模拟辐照诱导材料微观结构长时间演变过程的重要方法,其计算难点在于对大规模刚性的速率理论方程的数值求解。本文首次采用指数时间差分方法实现对速率理论方程的并行数值求解,分别给出了指数时间差分方法在热老化导致空洞演化和辐照诱导位错环演化模拟中的实现形式。测试结果证实了指数时间差分方法对大规模速率理论方程并行求解的可行性,有助于实现辐照诱导材料微结构长时演化行为的高效模拟。

关键词：辐照损伤速率理论指数时间差分方法

基于异构计算平台的混合撕裂有限元求解优化技术

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数值计算与计算机应用 2022年第2期43卷 202-220页

作者：张鋆宸张纪林冯仰德王珏聂宁明丁佳明杭州电子科技大学计算机学院杭州电子科技大学网络空间安全学院复杂系统建模与仿真教育部重点实验室杭州310018 中国科学院计算机网络信息中心北京100190 杭州电子科技大学计算机学院杭州310018

混合撕裂有限元法(Hybrid Total Finite Element Tearing and Interconnecting method,HTFETI)适用于求解结构力学、热力学等问题,是一种非重叠的区域分解方法,适用于大规模求解.但是在异构计算平台上对反应堆堆芯组件进行数值模拟时,... 详细信息

混合撕裂有限元法(Hybrid Total Finite Element Tearing and Interconnecting method,HTFETI)适用于求解结构力学、热力学等问题,是一种非重叠的区域分解方法,适用于大规模求解.但是在异构计算平台上对反应堆堆芯组件进行数值模拟时,采用混合撕裂有限元法会出现进程内和进程间的负载不均衡现象.在混合撕裂有限元求解器中.最主要的计算是稠密矩阵向量乘.针对进程内和进程间出现的负载不均衡现象,本文实现了动态负载均衡技术,充分利用了节点内和节点间的处理器资源.加快求解速度.最后,本文通过数值实验验证了上述优化技术能够加快混合撕裂有限元法的求解速度8.2%〜9.4%.

关键词：混合撕裂有限元法异构计算负载均衡:稠密矩阵向量乘向量内积

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一种特殊稀疏矩阵的LU分解加速技巧

科研信息化技术与应用 2014年第3期5卷 45-49页

作者：聂宁明刘芳周纯葆中国科学院计算机网络信息中心北京100190

随着待求解问题的维数的增加以及网格的加密，在数值计算过程中产生的稀疏线性方程组的求解便成了计算过程中最消耗计算资源的模块。在本文中我们根据问题本身所产生的矩阵的特殊结构，设计了一种精巧的 PR （Permutation and Reductio... 详细信息

随着待求解问题的维数的增加以及网格的加密，在数值计算过程中产生的稀疏线性方程组的求解便成了计算过程中最消耗计算资源的模块。在本文中我们根据问题本身所产生的矩阵的特殊结构，设计了一种精巧的 PR （Permutation and Reduction）置换约减算法，可以有效地减少矩阵的维数，减少矩阵分解过程中的填充，加快了分解的速度。

关键词：稀疏矩阵 LU分解填充置换约减

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材料微观结构演化大规模分子动力学软件比较

计算机科学与探索 2017年第3期11卷 355-364页

作者：聂宁明胡长军张云泉贺新福张博尧李士刚中国科学院计算机网络信息中心北京100190 北京科技大学计算机与通信工程学院北京100083 中国科学院计算技术研究所北京100190 中国原子能科学研究院北京102413

分子动力学模拟是研究材料辐照效应下微观结构演化的重要工具。对4款主流材料计算大规模分子动力学开源软件LAMMPS、Ls1-MarDyn、IMD和CoMD进行了详细的介绍,从数据结构、计算方法、并行分解方式、原子存储等多个方面进行了横向分析比... 详细信息

分子动力学模拟是研究材料辐照效应下微观结构演化的重要工具。对4款主流材料计算大规模分子动力学开源软件LAMMPS、Ls1-MarDyn、IMD和CoMD进行了详细的介绍,从数据结构、计算方法、并行分解方式、原子存储等多个方面进行了横向分析比较。通过设计算例测试了各软件的计算效率、并行性能和内存使用情况。针对压力容器关键材料辐照缺陷演化计算特点,提出了设计节省存储空间的面向单晶的新型数据结构的设想,为后续实现大时空尺度分子动力学模拟研究提供了研究基础。

关键词：分子动力学模拟数据结构材料辐照损伤