一种基于GPU并行计算的稠密气固两相流数值模拟方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于GPU并行计算的稠密气固两相流数值模拟方法及装置，在计算机中央处理器(CPU)上求解气相控制方程获得气相信息，并在GPU上实现了离散单元法的大规模并行求解，基于牛顿第二定律追踪求解每个颗粒的受力和运动，获得丰富的颗粒尺度信息；同时在CPU上对关键数组设定页锁定内存，采用直接内存访问技术，完成CPU与GPU之间信息的拷贝，实现气相与固相的耦合计算。该方法克服了传统CFD

【技术实现步骤摘要】
一种基于GPU并行计算的稠密气固两相流数值模拟方法及装置


[0001]本专利技术涉及计算流体力学领域，尤其涉及一种基于GPU并行计算的稠密气固两相流数值模拟方法及装置。

技术介绍

[0002]碳基燃料流态化清洁高效利用是能源领域最重要的技术之一，对于实现我国碳中和目标具有重要意义。随着现代测量技术的发展，人们可以通过实验测量获得流化床的床层压降、出口组分、碳转化率等关键参数以指导反应器设计优化。然而，碳基燃料流态化利用本质是受湍流流动、传热传质和化学反应控制的极为复杂的物理化学过程，涉及稠密气固两相相内和相间的质量、动量和能量的非线性耦合作用，给实验测量带来较大挑战。
[0003]随着计算机技术的发展，数值模拟成为揭示稠密气固两相流多物理耦合机理和发展新型高效低碳流态化技术的有力工具。传统的稠密气固两相流数值模拟理论和方法主要基于欧拉
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欧拉双流体框架，采用雷诺平均和拟流体假设而无法准确解析相内/相间的耦合作用；颗粒单元体积方法(MP
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PIC)基于欧拉
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拉格朗日框架引入计算颗粒概念并采用固相应力模化颗粒碰撞，无法准确获得颗粒尺度信息；计算流体动力学
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离散单元方法(CFD
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DEM)虽然可以追踪系统中的每一个颗粒，获得丰富的颗粒尺度信息，但计算量太大，极大地限制了其在稠密气固两相流领域的应用和发展。计算机图形处理器(GPU)近年来迅猛发展，其作为一种专门的多线程并行处理器，在工程和科学计算领域展现出巨大的应用潜力，其流处理器对于高效处理大规模的颗粒信息，具有特有的优势。
[0004]因此，开展计算流体力学
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离散单元法与GPU技术的融合研究，发展基于GPU加速技术的稠密气固两相流数值模拟方法，可以突破传统CFD
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DEM方法在计算资源方面的限制，使其应用于流态化工业领域数值模拟研究。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于GPU并行计算的稠密气固两相流数值模拟方法，解决计算流体力学
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离散单元方法需要巨大计算量的不足，利用GPU的多线程并行特性，将CFD
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DEM方法与GPU技术相结合。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：第一方面，本专利技术提供了本专利技术提出了一种基于GPU并行计算的稠密气固两相流数值模拟方法，该方法步骤如下：
[0007]步骤一：根据几何参数构建稠密气固两相流的模拟对象的三维模型，并对其进行网格划分，生成结构化网格，根据数值模拟的初设参数条件对气相流场信息以及固相颗粒信息进行初始化；
[0008]步骤二：基于欧拉框架下，引入空隙率和气固交换源项，建立控制方程，包括气相连续方程和动量方程，并应用有限体积法和一阶迎风格式离散气相控制方程，采用压力耦合方程组的半隐式方法SIMPLE求解，获得气相的速度和压力信息；
[0009]步骤三：根据固相颗粒的位置信息将固相颗粒映射到结构化网格中，计算得到每个网格的空隙率，并根据固相颗粒与所处网格中气相的相对速度关系计算得到固相颗粒所受的曳力，即气固相间作用力；
[0010]步骤四：在CPU上将空隙率以及气固相间作用力两个变量的内存设置为页锁定内存，通过数据交换管道1，通过直接内存访问将空隙率以及气固相间作用力直接从CPU复制到GPU上；
[0011]步骤五：在GPU上建立基于拉格朗日框架下的固体颗粒控制方程，包括固体颗粒的平动控制方程和转动控制方程；
[0012]步骤六：在GPU上计算得到固体颗粒所受的碰撞力F
c,i
，并根据固体颗粒所受重力、曳力和碰撞力，基于牛顿第二定律获得当前时刻固体颗粒的速度、转速和位置信息；并根据当前时刻的固体颗粒位置信息，进行颗粒接触判断，即两个颗粒是否可能在下一时刻发生碰撞，建立颗粒碰撞列表；
[0013]步骤七：在CPU上将颗粒的速度和位置两个变量的内存设置为页锁定内存，通过数据交换管道2，通过直接内存访问将在GPU上计算得到的固体颗粒速度和位置信息从GPU直接拷贝回CPU，获得当前时刻的固体颗粒速度和位置信息以及气相的流场信息。
[0014]进一步地，在所述步骤一中，结构化网格的尺寸为固体颗粒直径的3
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5倍。
[0015]进一步地，在所述步骤三中，根据Gidaspow曳力模型实现气固相间作用力的计算。
[0016]进一步地，在所述步骤六中，根据软球碰撞模型求解固体颗粒碰撞接触力，分解为法向碰撞接触力和切向碰撞接触力，分别用于计算固体颗粒的法向速度和切向速度。
[0017]进一步地，在所述步骤六中，当两个固体颗粒的中心距小于等于两个固体颗粒半径和的1.2倍，则将这两个颗粒记录在颗粒碰撞列表中。
[0018]进一步地，在所述步骤六和步骤七中，每一个固体颗粒受力的计算以及位置和速度的更新对应单独一个GPU线程完成。
[0019]第二方面，本专利技术还提供了一种基于GPU并行计算的稠密气固两相流数值模拟装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述处理器执行所述可执行代码时，实现所述的一种基于GPU并行计算的稠密气固两相流数值模拟方法。
[0020]第三方面，本专利技术还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现所述的一种基于GPU并行计算的稠密气固两相流数值模拟方法。
[0021]本专利技术的有益效果：本专利技术针对传统稠密气固两相流数值模拟研究中追踪计算固相颗粒信息需要消耗巨大计算量的情况，通过建立基于GPU并行计算的离散单元方法，利用GPU的多线程和高计算吞吐量特性，完全实现利用GPU追踪获得固相颗粒的运动和受力信息，并通过在CPU上设定页锁定内存，通过数据交换管道，采用直接内存访问技术，实现气相与固相的耦合计算，获得丰富的颗粒尺度信息(速度、转速、位置等)，并可以大幅提升计算效率，节约计算资源。本专利技术克服了传统稠密气固两相流数值模拟方法需要消耗巨大计算量的不足，填补了CFD
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DEM方法在高效处理大规模颗粒信息方面的空白。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0023]图1为基于GPU的稠密气固两相流数值模拟方法的流程示意图。
[0024]图2为采用直接内存访问技术的通信管道交换算法流程示意图。
[0025]图3为软球碰撞模型示意图。
[0026]图4为基于GPU的稠密气固两相流数值模拟方法加速效果示意图。
[0027]图5是本专利技术一种基于GPU并行计算的稠密气固两相流数值模拟装置的结构图。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于GPU并行计算的稠密气固两相流数值模拟方法，其特征在于，该方法步骤如下：步骤一：根据几何参数构建稠密气固两相流的模拟对象的三维模型，并对其进行网格划分，生成结构化网格，根据数值模拟的初设参数条件对气相流场信息以及固相颗粒信息进行初始化；步骤二：基于欧拉框架下，引入空隙率和气固交换源项，建立控制方程，包括气相连续方程和动量方程，并应用有限体积法和一阶迎风格式离散气相控制方程，采用压力耦合方程组的半隐式方法SIMPLE求解，获得气相的速度和压力信息；步骤三：根据固相颗粒的位置信息将固相颗粒映射到结构化网格中，计算得到每个网格的空隙率，并根据固相颗粒与所处网格中气相的相对速度关系计算得到固相颗粒所受的曳力，即气固相间作用力；步骤四：在CPU上将空隙率以及气固相间作用力两个变量的内存设置为页锁定内存，通过数据交换管道1，通过直接内存访问将空隙率以及气固相间作用力直接从CPU复制到GPU上；步骤五：在GPU上建立基于拉格朗日框架下的固体颗粒控制方程，包括固体颗粒的平动控制方程和转动控制方程；步骤六：在GPU上计算得到固体颗粒所受的碰撞力F
c,i
，并根据固体颗粒所受重力、曳力和碰撞力，基于牛顿第二定律获得当前时刻固体颗粒的速度、转速和位置信息；并根据当前时刻的固体颗粒位置信息，进行颗粒接触判断，即两个颗粒是否可能在下一时刻发生碰撞，建立颗粒碰撞列表；步骤七：在CPU上将颗粒的速度和位置两个变量的内存设置为页锁定内存，通过数据交换管道2，通过直接内存访问将在GPU上计算得到的固体颗粒速度和位置信息从GPU直接拷贝回CPU，获得当前时刻的固体颗粒速度和位置信息以及气相的流场信息。2....

【专利技术属性】
技术研发人员：于佳慧，王帅，罗坤，樊建人，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：