数值计算在现代科学研究中发挥着重要作用,是帮助研究人员分析越来越复杂过程模型的重要手段。并行计算技术可以用来解决科学计算应用中耗时长和模拟模型规模受阻问题。这方面的研究包括基础计算平台和并行应用两个方面,并行应用是结合具体领域问题发挥并行计算效用的落脚点。开发一个并行数值计算软件,需要将原有串行计算模式转化为并行化计算模式。区域分解是最常见的并行化方法,区域在实际问题中分为空间域和频率域等。设计并实现相应的区域分解方法,是开发并行计算模式的基础。本文关注这两种并行模式的具体设计和并行计算的实际应用。分别面向有限体积法地下复杂环境耦合过程和电磁场谐波平衡有限元计算问题,设计了相应的并行计算方法并完成了实际领域的并行计算应用。本文在地下复杂环境并行数值计算的研究工作受到中国地质调查局计划项目“全国二氧化碳地质储存潜力评价与示范工程”的支持。以美国劳伦斯伯克利实验室(LBNL)TOUGHREACT三场耦合模拟模型为基础,与吉林大学环境与资源学院课题组合作开发分布式内存平台上的高性能计算软件THC-MP。该软件同LBNL内部开发的基于共享内存并行模式的TOUGHREACT-OMP相比,在并行扩展度和计算效率方面有很多优势,在公开文献中首次实现了分布式内存平台上的耦合过程并行计算。该软件成功实现了鄂尔多斯盆地储层大型三维模型的模拟计算,为二氧化碳地质封存示范性项目数值模拟工作提供了支持。本文在电磁场分析计算的研究工作受到博士研究生联合培养项目支持,与澳大利亚格里菲斯大学工学院合作解决了谐波平衡有限元方法的高效计算问题。通过在频率域上对多次谐波进行分解,设计了频域并行求解方法,并将该算法应用到变压器直流偏磁问题计算。为稳态电磁场复合频率问题和工业产品设计的高效模拟计算提供了一种快速解法。本文工作的主要贡献有:1.针对环境科学领域多相流体、溶质运移和化学反应耦合模拟过程,基于空间区域分解方法,完整实现了整个耦合过程的并行计算。将流体、运移、化学三部分的数据按照子空间网格集合进行重组,设计了基于统一空间区域分解的耦合过程并行计算框架。在核心方程求解阶段实现了矩阵运算和网格处理计算的混合并行模式,优化了耦合过程并行计算的负载均衡。2.将耦合过程的并行计算框架实用化,开发了热-流体-化学三场耦合的模拟器THC-MP。和二氧化碳封存模拟计算模块ECO2N结合,在松辽盆地储层模型上验证了并行计算的数值可靠性。并将该模拟器应用到了鄂尔多斯盆地石千峰组储层的二氧化碳地质封存过程模拟,在分布式内存并行平台上完成了场地大规模三维模型的高效并行模拟。3.对电磁场计算中的谐波平衡有限元分析问题,在频率域上对数值模拟计算进行分解,设计了基于谐波分解的块矩阵类Jacobi迭代并行求解方法。并针对一个含有多次谐波的高频变压器直流偏磁问题,使用等同于谐波次数并行度的计算对该方法进行验证。实验结果显示,频率域并行计算方法减小了含有多次谐波的模型矩阵规模同时有效缩短了模拟计算时间。