低算子复杂度的高效并行AMG法及其在两类PDEs中的应用

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11601462
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    19.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0501.算法基础理论与构造方法
  • 结题年份:
    2019
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2019-12-31

项目摘要

It is an essential computational bottleneck to acquire the solution of large-scale linear systems arising from discretization of partial differential equations in science and engineering. Parallel algebraic multigrid (AMG) is one of the most common but popular solvers for these systems. The efficient parallel AMG method with low operator complexity is a hotspot but also a difficulty in AMG field..This project firstly develops an efficient parallel AMG method with low operator complexity and its theoretical analysis for high-dimensional complicated Poisson-like equation, which is a fundamental issue to AMG. Secondly, efficient parallel AMG methods with low operator complexity are constructed for the strongly multi-physical coupled and multi-scaled high-dimensional multi-group radiation diffusion equations and linear systems from finite element discretization of high-dimensional multi-term time-space fractional differential equation, and persuasive supports for the proposed algorithms are also provided. At last, we build the aforementioned efficient parallel AMG solvers under some famous computing platforms both at home and abroad. Here are numerous innovations and difficulties, such as serious impacts to aforementioned AMG algorithms from the non-Galerkin coarse grid, complicated multi-physical couplings, strongly multiple scales and nonlocality of the time-space fractional differential operator. We need to explore and present some novel ways and new techniques to dispose of these difficulties. The achievements of the project will play a positive role in enriching and promoting AMG's parallel algorithms, theoretical analyses, software developments and practical applications.
偏微分方程组大规模离散化系统的求解是科学工程领域的计算瓶颈之一,并行代数多重网格(AMG)法是解决该瓶颈问题的一条有效途径,低算子复杂度的高效并行AMG法是目前AMG领域的研究热点。.本项目首先针对高维复杂Poisson类方程的离散化系统,研究具有低算子复杂度的高效并行AMG法及相关理论,这属于AMG领域的基础性问题;接着针对一类具有强耦合性、强多尺度性的高维多群辐射扩散方程组和高维时间多项时空分数阶微分方程的有限元代数系统,设计具有低算子复杂度的高效并行AMG法,并提供理论支撑;最后基于新算法和国内外相关计算平台,研发高效并行AMG解法器。这些研究涉及许多难点,如非Galerkin型、多物理量的强耦合性、强多尺度性、时空分数阶微分算子的非局部性等对高效并行AMG法带来的影响,因此需要探索和发展一些新方法、新技术、新技巧。所获成果将对AMG的并行算法、理论、软件及实际应用起着积极作用。

结项摘要

低算子复杂度的高效并行AMG法是科学与工程计算领域的重要研究课题。本项目首先针对两种复杂Poisson类方程的时空有限元格式,理论上获得其系数矩阵的条件数估计式,并利用快速Fourier变换,构造和分析了一种低复杂度(甚至渐近最优)的自适应AMG法,数值实验结果表明新算法具有一致收敛性和高效性;接着,针对一种多介质轴对称二维三温辐射扩散问题的保对称有限体元格式,设计了两种具有简单粗空间的非重叠型区域分解预条件子,并在一定的数学假设下获得预条件系统的渐近最优条件数估计式,数值实验结果验证了理论估计式的正确性及并行解法器的良好算法与并行可扩展性;最后,针对二维空间分数阶扩散问题的时空有限元格式,发展了一种基于时间依赖的时间传播算子的时间维度上多重网格规约(MGRIT)算法,在时间传播算子的稳定性与同时可对角化的假设下,给出其两水平收敛理论,并通过数值实验验证理论的正确性、MGRIT相对parareal与串行时间步进算法的可观加速比。该工作在一定程度上对并行多层迭代算法及其理论进行完善。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Fully Finite Element Adaptive AMG Method for Time-Space Caputo-Riesz Fractional Diffusion Equations
时空Caputo-Riesz分数扩散方程的全有限元自适应AMG方法
  • DOI:
    10.4208/aamm.oa-2018-0046
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Advances in Applied Mathematics and Mechanics
  • 影响因子:
    1.4
  • 作者:
    岳孝强;卜玮平;舒适;刘梦欢;王帅
  • 通讯作者:
    王帅
JASMIN-based Two-dimensional Adaptive Combined Preconditioner for Radiation Diffusion Equations in Inertial Fusion Research
基于JASMIN的惯性聚变研究中辐射扩散方程的二维自适应组合预处理器
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    East Asian Journal on Applied Mathematics
  • 影响因子:
    1.2
  • 作者:
    岳孝强;徐小文;舒适
  • 通讯作者:
    舒适
二维非定常4-Laplacian问题的多重网格规约时间并行解法器
  • DOI:
    10.13715/j.cnki.nsjxu.2019.01.004
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    湘潭大学自然科学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    岳孝强;刘一寅;瞿创成
  • 通讯作者:
    瞿创成
Space-time finite element method for the multi-term time-space fractional diffusion equation on a two-dimensional domain
二维域上多项时空分数扩散方程的时空有限元法
  • DOI:
    10.1016/j.camwa.2018.11.033
  • 发表时间:
    2019-09-01
  • 期刊:
    COMPUTERS & MATHEMATICS WITH APPLICATIONS
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    Bu, Weiping;Shu, Shi;Zeng, Wei
  • 通讯作者:
    Zeng, Wei
Substructuring Preconditioners with a Simple Coarse Space for 2-D 3-T Radiation Diffusion Equations
用简单粗空间构造 2-D 3-T 辐射扩散方程的预条件子
  • DOI:
    10.4208/cicp.oa-2017-0065
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Communications in Computational Physics
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    岳孝强;舒适;王俊仙;周志阳
  • 通讯作者:
    周志阳

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其他文献

An Adaptive Combined Preconditioner with Applications in Radiation Diffusion Equations
自适应组合预处理器在辐射扩散方程中的应用
  • DOI:
    10.4208/cicp.091014.060315a
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    Communications in Computational Physics
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    岳孝强;舒适;徐小文;周志阳
  • 通讯作者:
    周志阳
SAMR网格上扩散方程有限体格式的逼近性与两层网格算法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    计算物理
  • 影响因子:
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  • 作者:
    舒适;岳孝强;周志阳;徐小文
  • 通讯作者:
    徐小文

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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