一种高效率电推进羽流等离子体并行仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种高效率电推进羽流等离子体并行仿真方法，包括：根据网格节点的邻接矩阵M生成无向图G；对无向图G的顶点进行重排序，并编号，得到最小带宽和轮廓的排序数组；根据所述排序数组，进行粒子数据结构设计，实现对大型稀疏方程组的求解。通过本发明专利技术实现了对大型工程流场计算问题的大型矩阵和向量的求解运算，大大降低了等离子体羽流的数值模拟过程中的计算时间，提高了效率。

A parallel simulation method for high efficiency electric propulsion plume plasma

The invention discloses a high efficiency electric propulsion plume plasma parallel simulation method, including: generating undirected graph G according to the adjacency matrix M of the grid node, reordering the vertices of the undirected graph G, and numbering the order array of the minimum bandwidth and contour; the structure design of the particle data is carried out according to the array of ordinal numbers. The solution of large sparse equations is realized. The invention realizes the calculation of large matrix and vector of large engineering flow field calculation problem through the invention, which greatly reduces the calculation time in the numerical simulation process of the plasma plume and improves the efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种高效率电推进羽流等离子体并行仿真方法
本专利技术属于等离子数值仿真
，尤其涉及一种高效率电推进羽流等离子体并行仿真方法。
技术介绍
通过数值模拟手段，能够得出电推进工作羽流场的各种物理参数，从而可以计算出羽流对航天器的相互影响效果。然而，电推进空间羽流场包括复杂的连续介质流(羽流核心区)、过渡领域流和自由分子流(羽流外围区)等几种流动状态。羽流核心区为连续流，外围为过渡领域流和自由分子流，高空羽流流动极为复杂，很难用一种方法来描述。以目前常用的直接模拟蒙特卡洛方法为例，直接模拟蒙特卡洛方法是用有限个仿真分子代替真实分子，并在计算机中存储仿真分子的位置坐标、速度分量以及内能，其值随仿真分子的运动、与边界的作用以及仿真分子之间的碰撞改变，最后通过统计网格内仿真分子的运动状态实现对真实气体流动问题的模拟。然而，由于等离子体羽流的数值模拟由于其时间尺度和空间尺度限制，需要耗费大量的计算时间，因此，必须在保证计算精度的前提下，采用各种加速方法来减少计算时间。可见，本领域技术人员亟需解决的问题之一在于：提供一种高效率电推进羽流等离子体并行仿真方法。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种高效率电推进羽流等离子体并行仿真方法，实现了对大型工程流场计算问题的大型矩阵和向量的求解运算，大大降低了等离子体羽流的数值模拟过程中的计算时间，提高了效率。为了解决上述技术问题，本专利技术公开了一种高效率电推进羽流等离子体并行仿真方法，包括：根据网格节点的邻接矩阵M生成无向图G；对无向图G的顶点进行重排序，并编号，得到最小带宽和轮廓的排序数组；根据所述排序数组，进行粒子数据结构设计，实现对大型稀疏方程组的求解。在上述高效率电推进羽流等离子体并行仿真方法中，对无向图G的顶点进行重排序，并编号，得到最小带宽和轮廓的排序数组，包括：确定无向图G的边界顶点集合r；任选一个节点，赋予x1，以顶点x1为根生成无向图G的层次结构；对处于第1层上的节点x1标号为x1’＝1，并按照层次增高的顺序依次对各层中的节点连续标号，得到顶点编号{xi’}；根据顶点编号{xi’}，确定任选节点对应的目标标号列表{xi”}；分别对边界顶点集合r中的各节点进行解算，确定各节点对应的目标标号列表；根据各节点对应的目标标号列表，筛选得到带宽最小的节点，构造得到所述排序数组。在上述高效率电推进羽流等离子体并行仿真方法中，按照层次增高的顺序依次对各层中的节点连续标号，包括：当节点位于相同层时，选择相邻的上层节点标号小的节点优先进行标号。在上述高效率电推进羽流等离子体并行仿真方法中，按照层次增高的顺序依次对各层中的节点连续标号，包括：当节点位于相同层时，选择节点周围相邻的节点个数小的节点优先进行标号。在上述高效率电推进羽流等离子体并行仿真方法中，根据顶点编号{xi’}，确定任选节点对应的目标标号列表{xi”}，包括：根据顶点编号{xi’}，按照如下公式，计算得到任选节点对应的目标标号列表{xi”}：xi”＝N+1-xi’其中，N表示节点个数。本专利技术具有以下优点：(1)随着航天技术的发展，航天器的构型日益复杂，对空间等离子数值模拟和分析应用需求将会越来越多，本专利技术针对性的提出了一种高效率电推进羽流等离子体并行仿真方法，该高效率电推进羽流等离子体并行仿真方法克服了传统采用全粒子模拟方法计算等离子的计算效率问题，同时，有利于基于非结构网格的有限元拓扑关系的程序化实现，可更加具体结合工程问题开展具体航天器表面等离子体运动规律研究。(2)在本专利技术中，采用该高效率电推进羽流等离子体并行仿真方法对复杂的电推进羽流场开展并行编程，实现了对OpenMP并行编程模型与计算的优化，以使OpenMP为共享存储系统提供一个便携、可伸缩的模型，具有可移植性好、高效率的优点。(3)在本专利技术中，采用该高效率电推进羽流等离子体并行仿真方法求解大型稀疏方程组，具有较好的并行计算性能。附图说明图1是本专利技术实施例中一种优化前的大规模稀疏矩阵的带宽示意图；图2是本专利技术实施例中一种高效率电推进羽流等离子体并行仿真方法的步骤流程图；图3是本专利技术实施例中一种链式存储结构的粒子模拟程序的分子遍历循环模式的示意图；图4是本专利技术实施例中一种网格节点邻接矩阵对应的无向图；图5是本专利技术实施例中一种以节点4为根生成的层次结构的示意图；图6是本专利技术实施例中一种临时标号示意图；图7是本专利技术实施例中一种临时标号示意图；图8是本专利技术实施例中一种优化后的大规模稀疏矩阵的带宽示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术公共的实施方式作进一步详细描述。本专利技术提供了一种高效率电推进羽流等离子体并行仿真方法，通过算法优化实现了大规模线性方程组的求解。参照图1，示出了本专利技术实施例中一种优化前的大规模稀疏矩阵的带宽示意图。可见，无论采用何种总刚度矩阵存贮方式，缩减矩阵的带宽及轮廓对线性方程组的求解效率都具有重要意义。其中，最大带宽与网格各单元的节点编号密切相关，对应的节点编号不同，最大带宽差异较大。当一个网格所属节点的编号相差较大时，将直接导致最大带宽增大。因此，适当的单元节点编号能使整体刚度矩阵中的非零元素尽可能排列在对角线两边的较近位置，从而节省占用的空间并减少计算时间。对于仅存非零元的总刚度矩阵全稀疏存贮方式，在三角分解时引入的非零元都在带宽及轮廓范围内，因此，缩减带宽及轮廓可以减少填充元的产生。一方面可以直接减少零元素的存贮量，避免过多占用内存；另一方面，以显著减少浮点运算次数，提高计算速度。基于图论原理，可对图的顶点按某种顺序重新编号，即对图的邻接矩阵行列进行重排序，以获得最小带宽及轮廓。本专利技术所述的高效率电推进羽流等离子体并行仿真方法，通过寻找出一个排序数组，使得用这个数组对矩阵重排序后矩阵的带宽及轮廓较小，层次结构较长。该高效率电推进羽流等离子体并行仿真方法是以无向图G边界点的广度优先搜索为基础，以生成最长层次结构为目标的方法：首先，求无向图G的边界顶点r，以边界顶点r为根，生成无向图G的层次结构；按照层次增高的顺序依次对各层中的节点重编号，即生成Cuthill—Mckee排序数组.最后对编号倒序排列，生成逆Cuthill—Mckee排序数组。参照图2，示出了本专利技术实施例中一种高效率电推进羽流等离子体并行仿真方法的步骤流程图。在本实施例中，所述高效率电推进羽流等离子体并行仿真方法，包括：步骤101，根据网格节点的邻接矩阵M生成无向图G。步骤102，对无向图G的顶点进行重排序，并编号，得到最小带宽和轮廓的排序数组。在本实施例中，对无向图G的顶点进行重排序，并编号，得到最小带宽和轮廓的排序数组，具体可以包括：确定无向图G的边界顶点集合r；任选一个节点，赋予x1，以顶点x1为根生成无向图G的层次结构；对处于第1层上的节点x1标号为x1’＝1，并按照层次增高的顺序依次对各层中的节点连续标号，得到顶点编号{xi’}；根据顶点编号{xi’}，确定任选节点对应的目标标号列表{xi”}；分别对边界顶点集合r中的各节点进行解算，确定各节点对应的目标标号列表；根据各节点对应的目标标号列表，筛选得到带宽最小的节点，构造得到所述排序数组。优选的，在按照层次增高的顺序依次对各层中的节点连续本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效率电推进羽流等离子体并行仿真方法，其特征在于，包括：根据网格节点的邻接矩阵M生成无向图G；对无向图G的顶点进行重排序，并编号，得到最小带宽和轮廓的排序数组；根据所述排序数组，进行粒子数据结构设计，实现对大型稀疏方程组的求解。

【技术特征摘要】
1.一种高效率电推进羽流等离子体并行仿真方法，其特征在于，包括：根据网格节点的邻接矩阵M生成无向图G；对无向图G的顶点进行重排序，并编号，得到最小带宽和轮廓的排序数组；根据所述排序数组，进行粒子数据结构设计，实现对大型稀疏方程组的求解。2.根据权利要求1所述的高效率电推进羽流等离子体并行仿真方法，其特征在于，对无向图G的顶点进行重排序，并编号，得到最小带宽和轮廓的排序数组，包括：确定无向图G的边界顶点集合r；任选一个节点，赋予x1，以顶点x1为根生成无向图G的层次结构；对处于第1层上的节点x1标号为x1’＝1，并按照层次增高的顺序依次对各层中的节点连续标号，得到顶点编号{xi’}；根据顶点编号{xi’}，确定任选节点对应的目标标号列表{xi”}；分别对边界顶点集合r中的各节点进行解算，确定各节点对应的目标标号列表；根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：林骁雄，温正，王敏，王珏，魏鑫，仲小清，彭维峰，李烽，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11