一種凸邊界的內(nèi)腔真空輻射仿真的高效并行計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于內(nèi)腔真空福射仿真方法技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種基于有限元法的內(nèi) 腔真空福射仿真的高效并行計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在工業(yè)設(shè)計中，需要對大量的熱傳遞問題進行仿真計算。熱傳遞的方式包括傳導(dǎo)、 對流與電磁波福射。對于固體結(jié)構(gòu)的熱傳遞問題的仿真計算中，有限元方法已經(jīng)成為了主 要方法，在壁面溫度邊界條件、熱流邊界條件、對流換熱邊界條件與電磁波福射邊界條件的 各向同性/各向異性材料的熱傳遞仿真中發(fā)揮了重要的作用。
[0003] 對于壁面溫度邊界條件、熱流邊界條件、對流換熱邊界條件與背景福射條件的各 向同性/各向異性材料的熱傳遞仿真，目前W有限元法為代表的計算方法相對成熟，計算 效率與并行方法也相對成熟。然而，對于內(nèi)腔真空福射問題，涉及到內(nèi)腔中所有的有限元單 元之間的福射熱傳遞，計算規(guī)模較大，并行方法尚不成熟，計算效率與并行效率尚需提高。
[0004] 因此，亟需設(shè)計一種基于有限元方法的內(nèi)腔福射仿真的高效并行計算方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于有限元法的內(nèi)腔真空福射仿真的高效 并行計算方法，實現(xiàn)內(nèi)腔真空福射問題的高效仿真。
[0006] 為了實現(xiàn)送一目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：
[0007] -種凸邊界的內(nèi)腔真空福射仿真的高效并行計算方法，包括W下步驟：
[0008] 步驟1、采集具有內(nèi)腔問題的固體結(jié)構(gòu)的實際外形和物理尺寸，建立Η維實體單元 的有限元網(wǎng)格；
[0009] 采集本步驟建立的有限元網(wǎng)格的溫度邊界條件、熱流邊界條件、對流換熱邊界條 件的邊界面網(wǎng)格；
[0010] 步驟2、采集固體結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)系數(shù)；
[0011] 采集溫度邊界條件、熱流邊界條件與對流換熱邊界條件的邊界條件值；
[0012] 其中，溫度邊界條件為邊界溫度值，熱流邊界條件為邊界熱流值，換熱系數(shù)邊界條 件換熱系數(shù)值與已知的流體溫度值；
[0013] 步驟3、采集內(nèi)腔福射邊界條件的邊界面網(wǎng)格；
[0014] 采集內(nèi)腔邊界的發(fā)射率，記為ε ;
[0015] 步驟4、設(shè)置瞬態(tài)熱傳遞計算的時間步長；設(shè)置計算總時間；
[0016] 步驟5、基于步驟1建立的Η維實體單元的有限元網(wǎng)格，對該網(wǎng)格進行均勻分區(qū)； 將分區(qū)數(shù)記為F ;
[0017] 步驟6、基于步驟3采集的內(nèi)腔福射邊界條件與步驟5建立的有限元分區(qū)網(wǎng)格，采 集每個網(wǎng)格分區(qū)中對應(yīng)的內(nèi)腔邊界條件；
[001引將每個分區(qū)中的內(nèi)腔邊界面記為扣1,?…，啡};
[0019] 采集每個分區(qū)內(nèi)腔邊界面網(wǎng)格的面積A ;
[0020] 步驟7、基于步驟5的分區(qū)數(shù)量F，開啟F個并行計算進程，每一個網(wǎng)格分區(qū)對應(yīng)一 個計算進程；計算進程號與網(wǎng)格分區(qū)號對應(yīng)；
[0021] 基于步驟1建立的Η維實體單元的有限元網(wǎng)格、步驟1采集的各個邊界條件的邊 界面網(wǎng)格、步驟2采集的固體熱傳導(dǎo)系數(shù)與各個邊界條件的數(shù)值、步驟4設(shè)置的瞬態(tài)熱傳 遞計算的時間步長與步驟5采集的分區(qū)網(wǎng)格，進行分區(qū)并行的不含內(nèi)腔福射值的有限元計 算；
[002引步驟8、基于步驟6采集的每個分區(qū)的內(nèi)腔邊界面扣1,?…，叫，采集步驟7中計 算得到的每個分區(qū)的內(nèi)腔邊界面上溫度值集合，記作化，了2,…，IV};
[0023] 其中，Ti(i = 1，2,…巧為第i個內(nèi)腔邊界面上的每個邊界面網(wǎng)格的集合， 7;=巧，7；，···，?； }，（/二I，2,…、/Γ)，ni為第i個網(wǎng)格分區(qū)的內(nèi)江邊界面上的面單元數(shù)量；
[0024] 步驟9、基于步驟8得到的每個內(nèi)腔邊界單元上的溫度值7；=巧·7；，···，7；)， (! = 1，2,-",巧..
[00巧]計算每個邊界單元通過福射損失的能量^^^7：;>定義其為福射能量值，α = 1，2,…，巧，（j = 1，2,…，ni)，ni為第i個網(wǎng)格分區(qū)的內(nèi)江邊界面上的面單元數(shù)量；
[0026] 其中，ε為步驟3采集的內(nèi)腔邊界發(fā)射率，A為步驟6中采集的每個分區(qū)內(nèi)腔邊界 面網(wǎng)格的面積，0為Stefan-Boltzmann常量；
[0027] 步驟10、將步驟9計算得到的每個邊界單元的福射能量值，存儲到該單元對應(yīng)的 計算進程的內(nèi)存空間中；
[0028] 步驟11、基于步驟6采集的每個分區(qū)中的內(nèi)腔邊界面，在其對應(yīng)的計算進程上的 所有內(nèi)腔邊界面上的網(wǎng)格單元進行遍歷；
[0029] 步驟12、基于步驟9計算的每個邊界單元的福射能量值，在步驟11的內(nèi)腔邊界 上的單元遍歷過程中，每個邊界單元遍歷時接收其它所有邊界單元所計算得到的福射能量 值；在該步驟中：
[0030] 1)若發(fā)送福射能量值的單元與正在遍歷的單元位于同一塊分區(qū)網(wǎng)格中，郝么說明 此時，福射能量值的傳遞是在同一個計算進程下完成的；此時直接通過內(nèi)存的計算實現(xiàn)福 射能量值的傳遞；
[0031] 2)若發(fā)送福射能量值的單元與正在遍歷的單元不在同一塊分區(qū)網(wǎng)格中，郝么說明 此時福射能量值的傳遞需要從一個計算進程傳遞到另一個計算進程；此時通過跨進程的信 息發(fā)送和信息接收來實現(xiàn)福射能量值的傳遞；跨進程的信息發(fā)送與信息接收通過MPI并行 編程實現(xiàn)；
[0032] 步驟13、完成步驟12后，每個邊界單元接收完所有其它邊界單元的福射能量值， 得到其它單元因為福射傳遞到本單元而增加的能量；
[0033] 將步驟9計算得到的本邊界單元的福射能量值，加上其它單元因為福射傳遞到本 單元而增加的能量，得到內(nèi)腔福射后本單元獲取的能量；
[0034] 步驟14、將步驟13得到的邊界單元獲取的能量作為能量輸入，作為下一個時間步 中步驟7計算的邊界條件；
[00巧]步驟15、結(jié)束步驟11開始的邊界單元遍歷；
[0036] 步驟16、更新計算時刻；若第η個時間步時的計算時刻為t，則n+1時間步的計算 時刻為t+Δ t ; Λ t表示第η個時間步時和第n+1個時間步時之間的時間間隔；
[0037] 步驟17、重復(fù)步驟7~16,直到當(dāng)前計算時刻超過步驟4設(shè)置的計算總時間，計算 結(jié)束。
[0038] 進一步的，如上所述的一種內(nèi)腔真空福射仿真的高效并行計算方法，步驟5中，通 過Meti S軟件對網(wǎng)格進行均勻分區(qū)。
[0039] 本發(fā)明技術(shù)方案通過一種基于有限元法的內(nèi)腔真空福射仿真的高效并行算法，通 過分區(qū)并行策略與遍歷優(yōu)化，實現(xiàn)了內(nèi)腔真空福射問題的高效仿真。與傳統(tǒng)的循環(huán)遍歷法 相比，本發(fā)明基于分區(qū)并行計算的思想，設(shè)計了一種新的針對內(nèi)腔真空福射的高效并行計 算方法，極大的提高了內(nèi)腔真空福射問題的仿真效率。因此，本發(fā)明具有較高的實際應(yīng)用價 值和很高的工程應(yīng)用價值。
【具體實施方式】
[0040] 本發(fā)明設(shè)計了一種基于有限元法的內(nèi)腔真空福射仿真的高效并行計算方法，通過 分區(qū)計算與并行策略兩方面，極大的提高了內(nèi)腔真空福射問題的仿真效率。仿真方法依次 包括W下步驟：
[0041] 步驟1、采集具有內(nèi)腔問題的固體結(jié)構(gòu)的實際外形和物理尺寸，建立Η維實體單元 的有限元網(wǎng)格；
[0042] 采集本步驟建立的有限元網(wǎng)格的溫度邊界條件、熱流邊界條件、對流換熱邊界條 件的邊界面網(wǎng)格；
[0043] 步驟2、采集固體結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)系數(shù)；
[0044] 采集溫度邊界條件、熱流邊界條件與對流換熱邊界條件的邊界條件值；
[0045] 其中，溫度邊界條件為邊界溫度值，熱流邊界條件為邊界熱流值，換熱系數(shù)邊界條 件換熱系數(shù)值與已知的流體溫度值；
[0046] 步驟3、采集內(nèi)腔福射邊界條件的邊界面網(wǎng)格；
[0047] 采集內(nèi)腔邊界的發(fā)射率，記為ε ;
[0048] 步驟4、設(shè)置瞬態(tài)熱傳遞計算的時間步長；設(shè)置計算總時間；
[0049] 步驟5、基于步驟1建立的Η維實體單元的有限元網(wǎng)格，對該網(wǎng)格進行均勻分區(qū)； 將分區(qū)數(shù)記為F ;分區(qū)方法為行業(yè)公知，可使用成熟軟件Metis實現(xiàn)；
[0050] 步驟6、基于步驟3采集的內(nèi)腔福射邊界條件與步驟5建立的有限元分區(qū)網(wǎng)格，采 集每個網(wǎng)格分區(qū)中對應(yīng)的內(nèi)腔邊界條件；
[005。 將每個分區(qū)中的內(nèi)腔邊界面記為扣1,?…，叫；
[0052] 采集每個分區(qū)內(nèi)腔邊界面網(wǎng)格的面積A ;
[0053] 步驟7、基于步驟5的分區(qū)數(shù)量F，開啟F個并行計算進程，每一個網(wǎng)格分區(qū)對應(yīng)一 個計算進程；計算進程號與網(wǎng)格分區(qū)號對應(yīng)；
[0054] 基于步驟1建立的Η維實體單元的有限元網(wǎng)格、步驟1采集的各個邊界條件的邊 界面網(wǎng)格、步驟2采集的固體熱傳導(dǎo)系數(shù)與各個邊界條件的數(shù)值、步驟4設(shè)置的瞬態(tài)熱傳 遞計算的時間步長與步驟5采集的分區(qū)網(wǎng)格，進