# heatTransfer-serial

**Repository Path**: liuhaolin24/heat-transfer-serial

## Basic Information

- **Project Name**: heatTransfer-serial
- **Description**: No description available
- **Primary Language**: Unknown
- **License**: GPL-2.0
- **Default Branch**: master
- **Homepage**: None
- **GVP Project**: No

## Statistics

- **Stars**: 2
- **Forks**: 20
- **Created**: 2025-12-01
- **Last Updated**: 2025-12-24

## Categories & Tags

**Categories**: Uncategorized

**Tags**: None

## README

# 热传导模拟串行程序

#My Work:

已增加heat_parallel.cpp源文件，原heat_transfer.h头文件已修改用于并行版本的运行，新增了heat_transfer_serial.h头文件，内容与原heat_transfer.h一致，用于原串行版本（未修改）的头文件；

以下是并行版本（heat_parallel.cpp）新增内容：

    1.引入MPI（本项目未使用OpenMP）

    2.更新算法：

        域分解：将200×200网格在Y方向均匀分配各进程

        新增Ghost Cells：每个进程存储相邻进程边界数据

        并行收敛判断：使用MPI-Allreduce进行全局收敛检测

    3.通信机制优化：
        
        使用MPI_Sendrecv： 实现非阻塞通信，减少同步等待时间
        
        交换Ghost cells时仅交换相邻边界行：降低通信延迟和数据传输量

    4.优化边界处理：

        局部边界保护：每个进程只处理自己负责的边界区域

        进程间同步：交换ghost cells保证数据一致性

    5.输入输出优化：

        仅使用0号进程输出，避免多进程同时写入导致输出混乱

以下为代码结构的改进：

    1.模块化函数：

        将域分解、通信、收敛判断、输出等功能独立封装，提高了代码的可维护性

    2.全局变量统一管理：

        使用extern全局变量在各函数间共享进程信息

    3.内存访问优化：

        使用二维向量局部复制而不是整体赋值，保证了数据一致性，避免因内存共享导致数值错误


## 项目简介

这是刘昊霖的代码库。本项目是一个基于显式有限差分法的热传导过程串行模拟程序，用于模拟固体材料中的二维热传导现象。程序通过数值计算方法求解热传导方程，模拟热量在材料中的扩散过程，并支持将计算结果以VTK格式输出，便于后续可视化分析。

## 物理模型

程序模拟的是一个二维平面内的热传导过程，物理模型基于傅里叶热传导定律，通过求解热传导偏微分方程：


∂T/∂t = α(∂²T/∂x² + ∂²T/∂y²)

其中：

- T为温度

- t为时间

- α为热扩散系数(α = λ/(ρc))

- λ为热导率

- ρ为密度

- c为比热容

## 边界条件


- 左边界(i=0)：恒温热源，温度保持在373K

- 右边界(i=NX-1)：恒温边界，温度保持在293K

- 上边界(j=0)：恒温边界，温度保持在293K

- 下边界(j=NY-1)：恒温边界，温度保持在293K



## 编译运行



### 编译环境


串行版本：

- C++编译器(g++)

- 支持C++11标准

并行版本：

- MPI编译器（mpicxx）


### 编译步骤



1. 克隆或下载项目代码到本地

2. 进入项目根目录

3. 使用 Makefile 编译

#### 编译所有版本（串行+并行）
make all

#### 只编译串行版本
make serial

#### 只编译并行版本
make parallel




### 运行程序


#### 运行串行版本：
make run-serial

#### 运行并行版本（默认进程数为4）
make run-parallel

#### 运行并行版本（自定义进程数）
make run-parallel -np (np=N(进程数)，N<=10)





## 程序输出



1. 控制台输出：

    - 程序运行信息（网格大小、时间步长等）

    - 每500步迭代的中间行温度信息

    - 收敛判断信息

    - 程序总运行时间

2. VTK文件输出：

    - 每500步迭代输出一个VTK文件（`heat_serial_iterXXX.vtk` 或 `heat_parallel_iterXXX.vtk`）

    - 最终结果输出为`heat_serial_final.vtk` 或 `heat_parallel_iterXXX.vtk`

    - VTK文件可使用Paraview等可视化软件打开查看



## 主要参数说明



参数定义在`include/heat_transfer_serial.h`文件（串行版本头文件）中：



- 物理参数：

    - `RHO`：材料密度，单位kg/m³（默认7850，钢的密度）

    - `LAMBDA`：热导率，单位W/(m·K)（默认50，钢的热导率）

    - `C`：比热容，单位J/(kg·K)（默认460，钢的比热容）

- 温度参数：

    - `T_LEFT`：左边界温度，单位K（默认373）

    - `T_OTHER`：其他边界温度，单位K（默认293）

- 网格参数：

    - `NX`：x方向网格点数（默认200）

    - `NY`：y方向网格点数（默认200）

    - `DX`：x方向网格步长，单位m（默认0.01）

    - `DY`：y方向网格步长，单位m（默认0.01）

- 计算控制参数：

    - `MAX_ITER`：最大迭代步数（默认20000）

    - `TOL`：收敛判断阈值（默认1e-4）



## 核心算法说明

串行版本：

1. **时间步长计算**：根据二维热传导稳定性条件计算合适的时间步长dt，确保数值计算的稳定性

2. **温度场更新**：采用显式有限差分格式计算温度场的更新，公式为：

    ```Plain Text
    T_curr[j][i] = T_prev[j][i] + coeff_x*(T_prev[j][i+1]-2*T_prev[j][i]+T_prev[j][i-1]) + coeff_y*(T_prev[j+1][i]-2*T_prev[j][i]+T_prev[j-1][i])
    
    ```

3. **收敛判断**：通过计算相邻时间步温度场的最大差异来判断是否达到稳态，如果最大差异小于设定阈值，则认为已经收敛

并行版本（额外特性）：

1.域分解：Y方向均匀分配网格行数，每个进程负责local_ny行数据

2.Ghost cells交换：使用MPI_Sendrecv交换相邻进程边界行

3.并行收敛判断：每个进程计算本地最大温度差，使用MPI_AllReduce获取全局最大值

4.并行的I/O处理：仅使用0号进程收集各进程数据并写入文件

## 清理编译产物



```Bash
make clean
```
该命令会删除可执行文件、VTK输出文件和核心转储文件。


## 查看可用命令

```Bash
make help
```


## 结果测评

经编译运行
    
    使用2进程的并行版本运行速度约比串行版本运行速度快了1.6倍左右（并行版本运行时间在18秒左右，而串行版本运行时间在30秒左右）;
    
    使用4进程的并行版本运行速度约比串行版本运行速度快了3倍左右（并行版本运行时间在10秒左右，而串行版本运行时间在30秒左右）
    
    使用8进程，运行时间在9.5秒左右，较2进程和4进程与串行版本相比而言没有较大提升


## AI使用
Ghost cells 思路来源于AI
Makefile 的修改完善使用了AI协助