向深地进军—4D-LSM并行化计算助力现场爆破波预测
High performance computing of 3D
blasting wave propagation in underground
rock cavern by using 4D-LSM on TianHe-3 prototype E class supercomputer
Meng Fu ，Gaofeng Zhao
地球深部，蕴藏着人类生存发展需要的绝大部分资源和能源。向深地进军，需要先进的计算方法和设备，本研究实现了4D-LSM的并行化计算，引入了更高效的通信策略，验证了并行化4D-LSM在模拟大型三维模型中的计算能力和优势。
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本文简介：
岩土工程和地下工程的数值模拟的模型规模通常很大，并行计算有着广泛的应用。通过将数值模型的原始区域划分为多个子分区，可有效减少计算时间或内存需求，即区域分解法。本文采用立方体等体积区域分解策略，实现了基于MPI的四维格构弹簧模型（4D-LSM）分布式存储系统并行计算。本文引入了更高效的通信策略，旨在于超级计算机平台上运行10亿颗粒模型。在国家超级计算天津中心的天河3号E级超级计算原型机上进行了数值计算，运行了两个现场尺度三维爆破波传播模型，其数值结果验证了并行化4D-LSM在模拟大型三维模型中的计算能力和优势。
02
本文亮点：
在4D-LSM MPI并行计算中引入了一种更有效的通信策略。
介绍了针对超级计算机平台的4D-LSM并行计算的预处理和颗粒生成方法。
利用天河三号原型E级超级计算机完成计算，数值模型中的颗粒数超过10亿。
利用4D-LSM并行计算再现了地下爆破模型和双线地铁隧道模型中爆破波的传播和衰减。
分析了4D-LSM和其他颗粒离散元方法的时间复杂度和空间复杂度。
03
作者简介：
赵高峰，天津大学教授，毕业于洛桑联邦理工学院，主要从事岩石力学非连续数值方法的研究。
富锰，天津大学建筑工程学院岩土力学与工程专业在读博士，主要从事岩土工程非连续数值方法、高性能计算与数值方法并行化的研究。
团队简介：
本团队建立于2015年，隶属于天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室。团队以岩石力学为背景，发展Lattice Spring Model离散数值计算方法，旨在面向重大水利工程高标准高质量建设和长期安全运行中遇到的科学技术问题，开展原创性基础研究和高技术应用基础研究。团队始终坚持自主研发与技术创新，研发出了国际领先的真实破裂过程分析系统NumericalBox3D，包含DLSM及4D-LSM方法。目前团队有博士后1名，在读博士8名，在读硕士6名。已培养硕士毕业生10名，其中两名成功推荐出国深造。
主要研究领域包括：岩石动力学，多尺度方法和高性能计算。致力于岩石动力学数值计算方法、多尺度耦合、流固耦合、高性能计算等方面的研究，创立了新的离散数值计算模型DLSM以及考虑四维空间相互作用的离散数值计算模型4D-LSM等。
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期刊简介：
《深地科学（英文）》（Deep Underground Science and Engineering）是由中华人民共和国教育部主管，中国矿业大学主办的“深地科学”领域的第一本国际期刊，成功入选 2020 年度”中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目”。与国际知名出版商 Wiley 合作，进行全球出版发行。
刊登范围：
地质资源勘探与开采
能源物质地下储存和提取
地下空间基础设施
地质环境和废弃物地质处置
深地空间科学实验
地下空间或地下工程规划，设计和施工技术
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图文编辑 侯庆萍
审核 王继红