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.     

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.     

基于CUDA的格子Boltzmann方法:算法设计与程序优化

格子Boltzmann方法(LBM)由于其具有计算简单,天然并行,易于程序实现,易于处理复杂边界等优点而成为流体建模和模拟的一种重要方法.LBM的上述优点也使得其非常适合利用图形处理单元(graphic processing unit,GPU)进行大规模流体计算.基于GPU的CUDA(compute unified device architecture)编程平台,首先设计了相应的LBM算法,并以二维方腔流、二维圆柱绕流以及三维方腔流为例,着重探讨了存储器访问优化等优化技术的作用;此外,本文也对程序的性能进行了详细分析.结果表明,本文的算法取得了理想的加速效果,证实了GPU与LBM的良好匹配关系.     

GPU-CA模型及大尺度土地利用变化模拟

在全球变化研究中,对省和国家尺度的土地利用变化过程进行模拟具有重要的意义.但大尺度的土地利用变化模拟存在数据量大、计算复杂、计算时间长等难点,由于计算能力和传统基于CPU计算模式的制约,在普通计算机中难以执行这样的模拟.把最新发展的GPU高性能计算技术与元胞自动机(CA)模型相结合,提出了GPU-CA大尺度土地利用变化模拟模型,并将其应用到省级尺度的土地利用变化模拟中.介绍了模型的问题映射、需解决的关键技术问题和计算的流程,并分析了GPU-CA模型在计算性能上的优势.通过全广东省的土地利用变化模拟,对GPU-CA模型进行了验证.实验表明,GPU-CA模型可以将原有一般CA模型的运行效率提高30倍以上,能够有效地应用于省和国家级的土地利用变化模拟,为全球变化模型提供重要的地表景观变化信息.     

高分子单链构象的蒙特卡洛模拟

本文介绍了蒙特卡洛模拟在高分子科学中的某些应用。首先,以无规行走(NRW)链的模拟说明这种方法的一般步骤,并评述了Wall等人对自避无规行走(SAW)链的计算成果。本文着重介绍用蒙特卡洛方法计算受限于微孔中NRW链的熵变和末端距,受限SAW链的末端距,这些是作者等的最新研究成果。     

考虑多次反射和模式转换的电子迴旋共振加热的射线追踪研究

在国外一些小装置(我们定义等离子体光学厚度小于1的装置为小装置)上所进行的电子回旋共振加热实验表明,根据光学厚度估算出的能量吸收率比实验测量求得的能量吸收率低一倍以上。本工作就是基于波在等离子体中的实际路径(射线追踪)来计算其吸收过程,模拟了天线的辐射花样,考虑了波多次反射和模式转换的影响,试图解释实验结果。     

缩聚反应产物分子量分布的Monte Carlo模拟——样本复制法提高模拟效率

我们曾报道了模拟缩聚反应产物分子量分布的Monte Carlo方法,该方法适用于模拟各种类型的缩聚、共缩聚和非等活性(即官能团活性与链长有关)缩聚产物的分子量分布。本文提出一种中间样本复制法以缩短该方法的计算耗时数,从而提高模拟的效率。     

一种新型城市地震灾害模拟方法:城市抗震弹塑性分析方法

城市地震灾害模拟可服务震前防灾规划和震后快速救援,对降低城市震害风险具有重要价值.本研究提出了一种新型城市地震灾害模拟方法——城市抗震弹塑性分析方法,给出了海量建筑建模、高性能计算、"场地-城市效应"、高真实感可视化与次生灾害预测等系列关键科学问题的解决方法,并应用于震后灾损近实时评估(九寨沟)、震前防震减灾规划(唐山)、城市中心区高层建筑群多尺度震害模拟(北京CBD)、城市建筑震害及次生灾害全过程模拟(旧金山湾区)等,可为城市防震减灾提供重要决策参考.     

驾驶经验与横向控制的ACT-R认知体系结构建模

ACT-R(adaptive control of thought-rational)是一种认知体系结构的理论和计算模型.本研究使用模拟汽车驾驶比较了新驾驶员与熟练驾驶员横向控制绩效的差别,并运用基于ACT-R的驾驶员绩效模型对2类驾驶员的横向控制行为建立计算仿真模型,分析其心理机制,得到以下主要结论:(1)新驾驶员的横向控制技能不足,表现为横向偏差显著地大于熟练驾驶员,同时这一不足在弯路时比直路时更明显,新驾驶员弯路行驶时显著地偏向弯道外侧,而熟练驾驶员不发生外侧偏移;(2)使用认知体系结构建模的方法,以较近和较远的视觉注意点远点距离,可以模拟仿真出2组驾驶员弯路行驶外侧偏移的差异.本研究的方法和结果可以为改进驾驶培训和开发智能驾驶辅助系统提供认知心理学上的理论支持,也能为以ACT-R为代表的计算认知模型应用提供样例和经验.     

BCC_RegCM 1.0对1991~2005年江淮梅雨季的数值模拟

采用中国气象局国家气候中心提供的区域气候模式BCC_RegCM 1.0(RegCM)模拟1991~2005年江淮梅雨季, 得到如下结论: (1) RegCM能较好地模拟出夏季温度和降水的年际变化和空间分布型; (2) 参照“广义梅雨评定标准”, 计算RegCM的降水和温度得到近15年江淮梅雨的爆发日和结束日, 与观测相比, RegCM能模拟出近15年江淮梅雨的年际变化, 对大部分正常梅雨年模拟较好, 尤其是能模拟出1996, 1998和1999年的强梅雨; (3) 就15年平均状态而言, RegCM模拟得到的入梅日和出梅日分别为6月1日和7月13日, 较采用广义梅雨标准计算的观测值分别提前了12和13 d; 梅雨长度为32 d, 较观测缩短了3 d; 梅雨强度为2.45, 而观测值为3.00. 从而可见, RegCM能较好地描述气候态的江淮梅雨持续期及强度, 但对入梅日和出梅日这两个奇异点的模拟仍有待改进.     

基于CFD的电液控制阀流场的数值模拟

文章针对矿用电液主控阀存在的问题,运用PROE对其流道建立了模型,并通过CFD数值模拟软件Fluent对阀道内流场做了分析,在不同流道模型中对其流场进行模拟,得出了相应的压力分布云图、速度矢量图等。将结果进行对比,找出阀道内存在气穴、气蚀、冲击、振动的地方,为阀的优化设计提供依据。     

横泉水库工业供水工程关阀水锤的数值模拟

文章以横泉水库工业供水工程关阀水锤的数值模拟为背景,介绍了一般管道重力流供水工程的关阀水锤的数值模拟计算。     

中医五脏供能物质和能流变化的动力学特征*

目的：介绍一种体现人与自然环境交融且能定量揭示生命、健康和疾病机制的人体结构。方法：依据中医五脏的生克关系建立数学模型,基于新陈代谢的统计数据,数值仿真五脏供能物质和能流的季节性变化,并与中国气候的变化规律做了比较。结果：脾、肺、肾、肝、心五脏的供能物质的波峰分别位于公历的7月、10月、1月、4月和7月,能流的波峰延迟1/4年。在由供能物质和能流张成的相平面上,轨线不断重复但从不真正重复。结论：中医认识的人体结构是以供能物质和能流为实体媒介的五脏生克关系结构。这种结构使得供能物质和能流的变化与中国气候的季节性变化有同样的动力学特征。对供能物质和能流的定量检测可能是揭示生命、健康和疾病机制的新方法。     

面铣刀气动噪声数值模拟及不等齿距面铣刀的降噪方法

高速面铣刀气动噪声由离散噪声与对总噪声影响较大的宽带噪声组成. 针对高速面铣刀流场和声场的非定常特点, 采用计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)方法对面铣刀周围气流特性进行数值模拟, 分析铣刀容屑槽区域的速度分布. 计算线性欧拉方程(linear eulerequation, LEE)中的声源项确定铣刀表面声源位置及强度. 通过应用基于Lighthill 声学类比的Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)积分变换方程计算获得远场噪声. 针对铣刀表面不同声源产生的气动噪声频谱进行分析, 发现铣刀容屑槽及刀片前刀面是高速面铣刀气动噪声的主要声源. 等距及不等距铣刀噪声频谱分析表明不等齿距布置可改变频谱声能分布, 降低离散噪声的基频峰值,进而可降低铣刀气动总噪声.     

生物油燃烧与污染物排放特性的数值模拟

应用CFD(computational fluid dynamics)软件FLUENT对实验室自砌小型窑炉装置内生物油的燃烧进行三维数值模拟.获得了炉膛流场、温度场、组分分布、火焰形状及污染物排放的详细信息,揭示了炉膛内部流动、燃烧及传热传质过程的特点.对不同过量空气系数下生物油的燃烧进行数值模拟,结果表明,随着过量空气系数的增加,炉膛内最高温度减小,燃烧区域增大,尾气中CO的浓度减小,但NO的浓度增加.模拟结果与试验数据吻合良好,验证了模型的可靠性,为燃烧工况的优化设计和污染物的控制提供了一定的依据.     

非均质泥石流固液两相运动特征探讨

非均质泥石流是一种固体颗粒级配宽、容重变化大、流速分布不均匀的典型的固液两相流, 广泛分布于我国的西部山区, 表现出独特的固液两相运动特征. 基于非均质泥石流固液两相分界粒径的概念, 以Darcy公式和质量守恒定律为理论基础, 分别推求非均质泥石流固液两相平均流速表达式. 在此基础上, 根据云南省小江流域蒋家沟泥石流模拟实验数据及实测资料, 揭示了非均质泥石流固液两相运动特征. 蒋家沟泥石流实验与实测资料计算分析结果表明, 蒋家沟泥石流以临界容重2.234 t/m³为界限, 当泥石流容重低于、等于和高于该临界值时, 分别出现液相流速大于、等于和小于固相流速的3种情况, 由此可以分别揭示稀性泥石流、均质泥石流和稠性泥石流3种不同类型泥石流的运动特征. 研究结果为构建非均质泥石流动力学奠定了基础, 并对泥石流防治工程规划设计和预测预报泥石流灾害具有重要的现实意义.     

基于格子玻尔兹曼方法的单孔射流鼓泡床的离散颗粒模拟

利用基于格子玻尔兹曼方法的离散颗粒模型对单孔射流鼓泡床进行了研究. 此算法基于四向耦合的离散颗粒模型, 流体的控制方程采用考虑了孔隙率和流固相的滑移速度对流体流动影响的修正格子玻尔兹曼方法来求解, 颗粒间相互作用通过时驱硬球模型求解, 流固耦合采用EMMS曳力模型. 首先研究了不同颗粒对形成气泡大小的影响, 结果表明, 在相同的射流气速下, 粒径越大形成的气泡越小. 在粒径相同的情况下, 提高气体的入射速度, 则形成的气泡越大. 同时考察了气泡的分离时间与粒径以及射流气速的关系, 结果表明, 随着粒径以及射流气速在一定范围内的改变, 气泡的分离时间并没有明显改变. 另外颗粒床层扩展影响气泡形状, 颗粒床层变宽后, 气泡的形状接近于圆形; 颗粒床层高度增加时, 气泡明显变小. 最后考察了气泡诱导现象, 模拟发现当区域有空腔时, 气泡会被诱导到空腔的方向.     

电力系统潮流计算中的稀疏技术研究

潮流计算是电力系统中最基本、最重要的问题,最优潮流是潮流计算的扩展。本文综合概述了潮流计算与最优潮流的最新研究成果,并重点研究了在运用计算机解决潮流计算问题时核心技术之一的稀疏技术,包括排零存储和排零运算。