耦合Nvidia/AMD两类GPU的格子玻尔兹曼模拟

利用图形处理单元(graphic processing unit, GPU)进行通用计算近年来得到关注, Nvidia和AMD公司已推出了各自的开发环境CUDA和ASC. 很多计算在GPU上的速度远高于目前的CPU. 格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method, LBM)作为一种网格上的粒子方法, 对流动模拟具有良好的内在并行性, 非常适合利用GPU进行大规模并行计算. 本文提出了一种耦合Nvidia和AMD的两类GPU完成LBM凹槽流模拟的算法, 对于两类GPU, 在LBM的D2Q9模型下分别设计了相应的算法和程序, 之后利用消息传递接口(message passing interface, MPI)协议通过多程序多数据流(multi-program multi-data, MPMD)模式使其能够联合计算, 以充分发挥混合GPU集群系统的性能. 通过GPU和CPU程序结果的比较, 证实了GPU计算的正确性和所能带来的显著的加速比, 为建设通用大规模GPU并行计算平台提供了重要参考.     

单相流动数值模拟的SIMPLE算法在GPU上的实现

基于交错网格的SIMPLE算法, 利用CUDA(compute unified device architecture)技术进行了图形处理器(GPU)上的直接数值模拟(DNS). 将高雷诺数方腔流作为研究实例, 在NVIDIA GTX 295显卡的单个和4个GPU上的计算速度最高可分别达Intel Xeon 5430 CPU之单核的50和150倍, 与其他模拟结果的对比表明了上述计算的合理性, 并展示了采用GPU实现高精度大规模的湍流计算的前景.     

格子Boltzmann方法及其在高强度聚焦超声声场建模的应用

格子Boltzmann方法(lattice Boltzmann method,LBM)是一种新型的流体力学模拟工具.基于介观动力学理论,LBM具有物理意义清晰、程序易于实施、边界易于处理和并行性能好等优势,因而在许多传统方法难以胜任的复杂流动领域得到了广泛应用.本文首先综述了LBM的诞生、发展以及现况,并阐述了LBM的理论和基本模型;随后,介绍了LBM在高强度聚焦超声(high-intensity focused ultrasound,HIFU)领域中的相关应用.基于LBM基本模型,构建了一种轴对称多弛豫时间(axisymmetric multiple-relaxation-time,AMRT)模型,并在模型中采用了具有二阶精度的Bouzidi-Firdaouss-Lallemand(BFL)边界处理格式.利用AMRT模拟了常见球面聚焦换能器产生的行波聚焦声场,并与传统声学方法进行了对比,验证了AMRT模型的有效性;随后又模拟了一种新型的球腔聚焦换能器产生的驻波聚焦声场,探讨了该类型换能器在HIFU治疗中的应用价值.本文结果旨在推动LBM成为一种全新的有效的声学仿真手段.     

颗粒凝并动力学MonteCarlo方法的高效GPU并行计算

Monte Carlo(MC)方法作为一种求解颗粒群平衡方程(PBE)的有效方法(PBMC),由于它对多维问题的适应性、符合实际颗粒动力学特征的离散和随机本质、程序结构相对简单、易于编程实现等优点受到人们持久、普遍的关注.但在涉及到颗粒凝并问题时,常规的PBMC方法计算代价较高,与模拟颗粒数目的平方成正比,限制了其工程应用.并行计算技术的快速发展,特别是近年来NVIDIA公司提出的计算统一设备架构(CUDA)为PBMC的快速高效模拟提供了一个良好的平台.本文在CUDA平台上实现了颗粒凝并动力学PBMC的图形处理器(GPU)并行计算(分别实现了累计概率法和接受-拒绝法选择凝并对)及中央处理器(CPU)的协同处理,与目前广泛运行于CPU的串行计算相比,取得了精确的计算结果和非常明显的加速,计算代价仅与颗粒数目成正比,在当前主流GPU/CPU设备上能够达到上百倍的加速比.     

有限容积法与格子Boltzmann方法耦合模拟传热流动问题

自然界和工程领域中的许多物理现象的发生通常涵盖几个数量级的几何空间及时间范围, 我们将其统称为多尺度物理现象. 在模拟多尺度问题时, 如果仅采用宏观方法, 则会存在一些不足, 如无法预知微小部分的细节以及引入复杂的经验关联式; 如果仅采用介观/微观方法, 则需要消耗大量的计算资源. 构造宏观-介观、宏观-微观、宏观-介观-微观等多种层次上方法的耦合体系, 可以在很大程度上克服这些不足. 构造了宏观有限容积法(FVM)与介观格子Boltzmann方法(LBM)的耦合模型(CFVLBM), 给出了由宏观物理量重构密度分布函数和温度分布函数的两个重构算子, 解决了LBM与宏观方法耦合的关键难题. 选取二维、三维典型传热流动问题对耦合模型进行了考核, 计算结果同基准解符合得很好. 最后将CFVLBM应用于计算多孔介质内的复杂流动问题. 研究表明, 基于文中重构算子的CFVLBM可以准确有效地应用于模拟传热流动问题.     

一种改进的适用于多相流SPH模拟的粒子位移修正算法

由于光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法具有天然的拉格朗日特性,粒子常常沿着流线运动,易产生不均匀的粒子分布,导致计算精度和稳定性下降.作为一种粒子分布均匀化技术,粒子位移修正(shifting)算法凭借其原理简单、效果显著等优点在SPH水动力学模拟中得到广泛应用.但同时,应用于多相流动中的shifting算法的计算过程较为复杂.针对这一问题,本文提出了一种改进的适用于多相流模拟的粒子shifting算法.与文献中已有的多相流shifting算法相比,它在处理多相交界面时能够维持更加均匀的粒子分布,同时可以保持清晰的异相界面,且实施相对简单高效.数值算例表明,该shifting算法在多相流模拟中具有更高的精度和更好的能量守恒特性.     

变形条件下孔隙岩石CH_4微细观渗流的Lattice Boltzmann模拟

岩体开采变形对流体渗流性质的影响是煤瓦斯共采、油气资源开发、CO2地质封存及地下水资源保护等关注的重要问题.本文基于砂岩孔隙结构CT图像,发展了一种孔隙岩石CH4微细观渗流的LBM模拟方法及适合于大尺度孔隙模型的并行算法,运用此方法模拟分析了孔隙砂岩CH4微细观渗流性质及孔隙结构特征的影响,并与实验结果进行对比,验证了LBM方法的可靠性.利用LBM+FEM方法分析了应力作用下孔隙结构变形对CH4渗流的影响机制.结果表明:该方法可以直观定量地描述岩石微细观孔隙结构特征、渗流速度场空间分布、渗透率以及应力作用下孔隙结构变形对渗流速度场、有效孔隙度和渗透率的影响.不同孔隙度砂岩渗透率的LBM计算结果与实验值具有较好的一致性.     

高分子直接插层构建纳米层状异质结构及高效储能应用

<正>二维层状材料,如过渡金属硫化物(TMDs)、过渡金属碳化物或氮化物(MXenes)、六方氮化硼(h-BN)、石墨氮化碳(g-C3N4)、层状金属氧化物等,因具有优异的电学性质和易于加工等特点,在能量转化和存储方面有着广泛的应用前景.然而,体相二维层状材料一般多以层间范德华力作用形成堆叠结构,极大妨碍了材料活性位点的充分暴露和     

三维后体/尾喷管一体化构型优化设计及性能分析

针对高超声速飞行器后体/尾喷管一体化构型,以飞行马赫数6.5,飞行高度25km为设计条件,综合使用二维型线优化和三维关键参数优化,对构型的升/推力性能进行了优化设计.首先基于二维型线,采用三次B样条曲线对上膨胀面型线进行参数化,计算流体动力学(CFD)进行性能评估,序列二次规划(SQP)方法作为优化方法,建立了优化设计流程,在优化迭代中利用局部网格重构技术提高计算效率.在二维优化的基础上设计了三维后体/尾喷管一体化构型,获得了下膨胀面/后体长度比l/L、下膨胀面倾角ω、出口高度/后体长度比H/L及等关键参数对一体化构型升力、推力等性能参数的影响规律.研究发现在此条件下,当l/L=1/6,H/L=0.35,ω=10°时,后体/尾喷管一体化构型的综合性能最优.此外,加装侧板可以有效防止侧向的高压泄露,有助于提升飞行器的升力和推力性能.     

非线性最优化一个超线性收敛的序列方程组方法

本文考虑如下的优化问题:这里x=(x_1,…,x_n)∈E~n.对于问题(P),本文给出了一个超线性收敛的序列方程组算法.此算法与现有的序列二次规划(SQP)方法相比,具有以下三个重要的性质:(1)由于算法每一次迭代只需计算三个系数矩阵完全相同的线性方程组,因此算法每一次迭代的计算量要比现有的SQP方法大为减少;(2)算法每一次迭代产生的点都是可行的;(3)算法是一步超线性收敛的.     

流动聚焦研究进展及其应用

流动聚焦(flow focusing)是一种毛细流动现象, 1998 年被正式提出. 其原理为从毛细管流出 的流体由另一种高速运动的流体驱动, 经小孔聚焦后形成稳定的锥形, 在锥的顶端产生一股微射 流穿过小孔, 射流因不稳定性破碎成单分散性的微滴. 该技术稳定、易操作、没有苛刻的环境条 件, 可以制备微米量级甚至数百纳米量级的液滴、气泡、颗粒和胶囊等微粒子, 在科技领域和工 程实际中都有重要的应用价值. 本文回顾了流动聚焦技术的研究进展, 包括实验、理论和数值模 拟, 并对其应用进行了简要评述, 最后对流动聚焦的发展趋势做出展望.     

泥石流动力学模型与数值模拟

泥石流是介于崩塌、滑坡等块体运动和山洪水流之间的一种物理过程,既具有土体的结构性,又具有水体的流动性。从物质组成上看,泥石流是一种由水、岩土体和气体组成的多相介质,具有多种内部结构。其中的固相组分颗粒形状极其不规则,尺度跨越范围较大。浆体与固相颗粒以及颗粒间的相互作用非常复杂。因此,完全考虑各种因素建立全描述的泥石流动力学模型比较困难。从描述组成物质和运动的观点来看,目前泥石流的动力学模型可划分为连续介质、离散介质和混合介质模型。基于不同动力学模型的泥石流运动数值模拟,可广泛应用于流量过程反演、危险范围预测、风险评估、防治工程评估等方面;但泥石流本身启动和产汇流机理涉及多门学科,是需要进一步研究的重要课题。同时,泥石流形成过程和运动过程的数值模拟存在着时空尺度上的差异,如何实现两者的耦合求解仍需深入探讨。     

孔隙水压力在滑坡泥石流起动和运动中的作用

自然界重要的山地灾害--滑坡、泥石流都是由大量的颗粒物质和颗粒间孔隙水所构成的多相介质。颗粒间孔隙水压力的发展和消散直接影响颗粒间的作用,是导致边坡失稳、土体滑动、泥石流流动性加强的重要因素。全面综述孔隙水压力的定义和测试方法,孔隙水压力的发展、消散过程,以及颗粒间有效应力的变化,以期进一步明确孔隙水压力对滑坡、泥石流起动和运动的重要性。     

输流管道振动的被动控制研究

输流管道在内部流动流体和外部激励作用下,展现出复杂的振动特性。随着工程中对振动控制水平的要求越来越高,输流管道振动的控制研究吸引的关注也逐渐增多。文章对输流管道振动被动控制研究进行了梳理。首先,介绍输流管道振动被动控制的重要性和存在的困难;其次,简介输流管道动力学研究的一般特点;然后,综述了输流管道被动控制研究的进展;最后,对未来需要深入研究的方向给出建议。期望文章有助于科研人员了解输流管道振动被动控制的研究现状,并能引起更多关注,从而促进管道系统高效、安全运行。     

西大别超高压榴辉岩中石英脉锆石年龄和Hf同位素组成

对西大别红安地区超高压榴辉岩中石英脉的锆石进行了U-Pb年代学和Hf同位素组成的研究. 结果提供了超高压变质岩石折返阶段流体活动的时间、条件和流体来源等方面的信息. 石英脉中的锆石具有非常完好的晶型, 振荡环带或弱分带结构, 表明它们是从石英脉形成过程中的流体中结晶出来的. 它们的206Pb/238U加权平均年龄为(224.7 ± 1.3) Ma, 是石英脉形成时间的最佳估计值, 记录了超高压岩石早期榴辉岩相折返阶段流体的活动. 热液锆石具有非常低的Lu/Hf同位素比值, 与它们形成于榴辉岩相变质作用阶段相一致. 这些锆石的Hf同位素组成与寄主榴辉岩中的锆石一致, 指示石英脉形成过程中只有小规模的流体活动, 流体为内部来源. 因此, 热液锆石的Lu-Hf同位素体系可以为流体的形成条件、性质以及来源提供有效的制约.     

输流管道振动的被动控制研究

输流管道在内部流动流体和外部激励作用下,展现出复杂的振动特性。随着工程中对振动控制水平的要求越来越高,输流管道振动的控制研究吸引的关注也逐渐增多。文章对输流管道振动被动控制研究进行了梳理。首先,介绍输流管道振动被动控制的重要性和存在的困难;其次,简介输流管道动力学研究的一般特点;然后,综述了输流管道被动控制研究的进展;最后,对未来需要深入研究的方向给出建议。期望文章有助于科研人员了解输流管道振动被动控制的研究现状,并能引起更多关注,从而促进管道系统高效、安全运行。     

高水基安全阀流场的CFD仿真

利用FLUENT软件对高水基安全阀的流场进行数值模拟，得到了阀道的压力分布、速度分布和速度矢量分布图，压力和速度在截流口处都产生了突变，并对阀芯上的总压力和液动力进行计算，得出该阀所受稳态液动力的大小，所得结论为安全阀的结构设计与性能分析提供了依据。