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.     

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.     

回转筒颗粒表面流的分子动力学模拟和连续理论

在考虑颗粒非弹性接触、滑动摩擦和滚动摩擦基础上发展了分子动力学模拟的算法, 实现了中高速(Fr = 0.1~0.2)回转筒内颗粒流的离散模拟. 回转筒内颗粒流由表面活性层和下部柱塞流区组成, 颗粒在活性层的停留时间约为柱塞流区的1/3~1/2, 对称线上活性层和柱塞流区的厚度比为0.57~0.61, 因而推断颗粒流动处于Rolling-Cascading过渡模式. 对称线上MD模拟的速度分布与正电子放射性测量实验结果十分吻合. 在模拟和实验结果基础上发展了连续理论: 柱塞流区内颗粒运动并非完全随着筒壁刚体转动, 而是存在着塑性蠕变, 这种速度变化过程符合指数函数规律; 而活性层内颗粒流动则符合简单的Couette切变流动分布. 最后探讨了颗粒温度和颗粒相对浓度分布的内在机理.     

有限元结构分析的层级负载均衡并行计算方法

由于性价比高、计算能力强,多核机群已经成为当今高性能计算的主流工具.然而,多核机群环境下不同的存储机制和通信延迟特点也为高效并行算法的设计带来了挑战.为充分利用多核机群的硬件资源获取最优性能,本文设计了一种有限元结构分析的层级负载均衡并行计算方法.该方法建立在对计算任务的层次性和粒度性充分挖掘的基础上.为与多核机群的硬件拓扑体系结构相适应,本文将计算任务划分为三个层次:节点间并行、片间并行和核间并行.其中,节点间并行和片间并行采用粗粒度并行计算方法,而核间并行采用细粒度并行计算方法.通过将计算任务映射到多核机群的不同硬件层面执行,该方法不仅有效实现了不同层面的负载均衡,而且大幅度降低了系统的通信开销.此外,它还大幅度减少了子区域的数目,有效提高了界面方程的数值收敛性.为验证算法的有效性,在"天河二号"超级计算机上进行了有限元结构线性静力分析大规模并行计算测试.结果表明:同传统区域分解法相比,层级负载均衡并行计算方法能够获得较高的加速比和并行效率.本文的研究主要集中在线性静力学问题上.对于非线性问题或者动力学问题,由于涉及多个迭代步,因此可以将本文算法封装为一个子函数进行调用.     

粒介质在类固-液相变过程中的时空参数特性

颗粒介质的类固-液相变过程除受材料性质影响外, 还与其运动速率和密集度有密切关系, 而接触时间数和配位数是表征该相变过程中颗粒间相互作用的重要时间和空间参量. 本文采用三维离散元方法对不同切变速率和密集度下颗粒介质的动力学行为进行了数值模拟, 确定了颗粒材料在类固-液相变过程中接触时间数和配位数的参数特性和演化过程, 并结合宏观应力的分布特性, 进一步确定了颗粒介质在液态和固态相互转化中的动力学机理, 讨论了颗粒介质在由快速流动向慢速、准静态转化的相变过程. 通过对颗粒单元相互作用的细观数值模拟, 获取了颗粒介质在宏观上的动力学行为, 为研究其在不同相态下的本构模型提供了依据.     

基于时驱硬球算法与格子玻尔兹曼方法的颗粒流体系统直接数值模拟

实现了一种直接数值模拟颗粒流体系统的耦合算法, 颗粒间相互作用由时驱硬球算法描述, 而流体的控制方程采用格子玻尔兹曼方法求解, 流固耦合用浸入运动边界法实现.该方法使用欧拉网格求解流场, 拉格朗日网格跟踪颗粒, 避免了非结构化贴体网格方法需要重新划分网格的问题. 通过模拟两个圆形颗粒在黏性流体中的沉降过程, 成功地复现了经典的Drafting-Kissing-Tumbling(DKT)过程, 验证了耦合算法的有效性.     

FluxExplorer: 一个通用的基于化学计量矩阵的代谢网络建模和分析平台

近年来基于化学计量矩阵的生物代谢网络分析在系统生物学研究领域备受关注. 为该领域的研究者开发更加方便和友好的硅上模拟平台已成为一项重要工作. 这种平台应提供图形化的操作方式, 整合强大的分析模块, 帮助生物学研究者更深入地理解代谢系统的特性和行为. 基于这种需求, 我们开发了一个免费共享的计算机模拟平台FluxExplorer. 它整合了多种基于化学计量矩阵的分析方法, 如流平衡分析 (flux balance analysis, FBA)等. 这些分析方法可对代谢网络的各种特性进行全面而深入的刻画. 在该平台上, 用户只需通过简单的图形化建模过程, 就能直观构建并分析自己的目标网络. 同时, 该平台能自动地查找模型中不符合建模规则的结点, 以便用户修改. 此外, 该平台支持系统生物学建模语言 (systems biology markup language, SBML). 利用该平台成功地构建了哺乳动物线粒体的代谢网络, 并得到了一些有生物学意义的模拟结果. 可以说, 该平台是一个分析功能强大且使用方便的代谢网络模拟工具.     

介观动力学模拟和结合等温线研究十二烷基氧丙基-β-羟基三甲基溴化铵与黄原胶相互作用

将介观动力学模拟方法应用在表面活性剂/黄原胶(XC)体系中, 对阳离子表面活性剂十二烷基氧丙基-β-羟基三甲基溴化铵(C₁₂NBr)与XC相互作用的微观动力学及形成的聚集体构型进行了理论模拟研究, 并与具有相同亲水基团不同疏水结构的壬基苯氧丙基-β-羟基三甲基溴化铵(C₉phNBr)与XC之间的相互作用进行了比较. 结果表明, 两种表面活性剂和XC形成的聚集体构型均为具有螺旋特征的长棒状结构; C₉phNBr在XC上的缔合比C₁₂NBr更难, 需要更长的扩散时间. 此外, 还对两种表面活性剂在XC上缔合的动力学演变过程进行了详细的探讨, 并通过结合等温线的实验结果对模拟结果进行了验证.     

复杂流动多尺度模拟中的粒子方法

复杂流动中的多尺度结构对理论和工程研究都是巨大的挑战, 而多尺度方法也成为其必然的选择. 粒子方法(particle method, PM)是多尺度方法的理想组件和有力的研究手段. 以此为背景, 从拟颗粒模拟出发, 比较了一些粒子方法在模拟中的精度和效率, 综述了不同粒子方法在复杂流动多尺度模拟中的作用, 介绍了基础和应用研究上的一些进展, 并对今后的研究方向进行了展望.     

柴油机排气稀释过程中挥发性纳米颗粒形成和变化特性

建立了描述柴油机排气稀释过程中挥发性纳米颗粒形成和变化的H2SO4-H2O二元均相成核和气溶胶动力学耦合模型.利用该模型模拟计算H2SO4-H2O二元均相成核作用下分子团簇的生成率和团簇粒径等参数,以及分子团簇向挥发性纳米颗粒转化过程的气溶胶动力学作用;并考察了燃料硫含量和实验室内稀释采样条件变化对柴油机排气中挥发性纳米颗粒数浓度粒径分布的影响.研究表明:H2SO4-H2O二元均相成核作用产生大量分子团簇,燃料硫、温度、湿度对分子团簇的生成率和团簇粒径产生显著影响.凝并作用使成核作用产生的分子团簇由单分散系向多分散系转化,形成挥发性纳米颗粒;凝结作用进一步促进颗粒向大粒子方向迁移,排气中碳烟粒子会抑制挥发性纳米颗粒的形成;燃料硫含量和稀释参数(初级通道内混合气稀释比、温/湿度和停留时间)等均显著影响挥发性纳米颗粒的数浓度粒径分布.     

磁性液体数值模拟研究进展

磁性液体(magneticfluid)是一种力学性能受磁场调控的磁流变智能材料,在医学与工业生产中有广泛应用.近年来,随着计算机性能的发展,数值模拟日益成为研究磁性液体力学行为细观机理的重要方法.本文综述并评价了磁性液体理论与数值模拟领域的最新研究进展,介绍了磁性液体在剪切、挤压和阀模式3种工作模式下的力学模型,对磁性液体的现有模拟方法进行了总结,讨论了磁性液体数值模拟的研究现状,并展望了数值模拟的发展前景.磁性液体的数值模拟亟待开展以下三方面研究:(1)建立涵盖多种微观相互作用的精细理论模型,研究颗粒表面包覆、添加剂等非磁性成分对磁流变效应的影响;(2)将不同数值模拟方法相结合,建立磁性液体的多尺度模型,进一步提高模拟精度,利用机器学习协调不同尺度的数值模拟,压缩计算量,已成为一种可行思路;(3)将力学模型与电、磁学模型相结合,发展多尺度、多物理场耦合的数值模拟方法,模拟磁性液体其他物理性能.最终为高性能磁性液体的研制及其应用研究提供技术和理论支撑.     

蛋白质的谱维数

由于蛋白质的性质和功能与其内部原子的振动、链构象有密切关系,因此人们从振动简正模式分析、分子动力学及Monte Carlo模拟等方面对蛋白质作了大量研究.Wako等人发展了一套计算蛋白质构象能的快速方法,Go等人提出了研究蛋白质低频振动模式的动力学方法,并计算了牛胰蛋白酶抑制剂(BPTI)的简正模式密度分布.我们近年对蛋白质的分形     

颗粒流体系统的宏观拟颗粒模拟

拟颗粒模拟（pseudo-particle modeling，PPM）是一种粒子方法（PM），提出于1996年，虽然它很适合微观颗粒流体系统的模拟，但在实际系统中的应用却受到计算量的严重限制。结合加权平衡和有限差分等手段将粒子间作用提升到符合Navier-Stokes(N-S）方程的流体微元尺度，进一步提出了宏观拟颗粒模拟（MaPPM），应用此模型，模拟了一维Poiseuille流，并通过与另一相关PM－－光滑粒了流体力学（SPH）的定量比较，说明了其优越的精度与计算效率，在单颗粒绕流、双颗粒沉降和多颗粒流化的模拟中也获得了合理的曳力系（CD）和原PPM未能获得的细胞的瞬时流场，并显示了良好的收敛性和稳定性。     

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。     

论地理系统模拟基本模型*

地理计算模型和地理信息系统（GIS）的集成是实验地理学研究急需解决的技术难点。地理系统丰富的内容、复杂的结构和功能的多样性,给人们分析、模拟地理系统带来了挑战。本文针对众多地理计算模型侧重表达、地理分析,多方法应用、众多模型无法筛选等现状, 从计算地理学、地图学、地理信息科学等前沿需求出发, 将地理系统模拟的基本模型归纳为在GIS平台支持下由点[CD*2]多智能体（AB）、面[CD*2]元胞自动机（CA）、流[CD*2]系统动力学（SD）构成的地理系统模拟基本模型,并探讨了地理系统模拟基本模型的框架、结构与通讯,深入解析了各模型的原理、集成的关键技术与应用途径, 为地理系统模型进一步发展及地理系统模拟平台研制与开发提供参考。     

基于FPGA的IDE硬盘接口控制器的设计

硬盘广泛应用于大容量数据采集系统,实现数据的存储.为了实现CPU对硬盘的控制,本文利用FPGA(现场可编程门阵列)设计了IDE(集成驱动电子设备)硬盘接口控制器,利用此控制器,CPU可以直接访问硬盘,实现PIO模式和Ultra DMA模式下数据的传输.设计采用VHDL(超高速硬件描述语言)实现,在FPGA开发板上验证.     

柴油机等径颗粒平面碰撞过程凝并特征

针对后燃期柴油机颗粒物的碰撞过程,结合气溶胶颗粒的受力分析和基于弹性形变力、范德华力的非完全弹性碰撞运动方程,探讨了等径颗粒平面非完全弹性碰撞过程的两个特征-压缩、恢复和影响压缩恢复的主要特征参数.进一步研究了入射角、碰撞频率、压缩距离、恢复系数和凝并效率等特征参数相互之间的关系及其在碰撞过程中的作用.研究结果表明,任意粒径下,随着压缩过程的进行,范德华力均增强;对于相同粒径颗粒,在压缩过程中,弹性形变力始终大于范德华力,且两者差距逐渐增大.颗粒粒径分散性越大,颗粒间碰撞频率越大.15,45 nm颗粒分别与50 nm颗粒碰撞频率的比值约为1.9倍.等粒径颗粒碰撞过程中,初始相对速度保持不变时,入射角增大,压缩距离增大,对心碰撞时,压缩距离最宽;相同入射角下,压缩距离随着初始相对速度的增加而逐渐增大.随着恢复系数的增大,临界速度逐渐减小,凝并效率呈逐渐减小趋势.当恢复系数等于0.026时,凝并效率约为50.05%,能够实现较高效的碰撞和较快地促进颗粒凝并,当恢复系数大于0.063时,凝并效率接近于零,极大部分颗粒碰撞之后发生分离,阻碍了颗粒凝并.     

浊流成因海底沉积波形成机理及其数值模拟

近些年来, 随着深水油气勘探的不断深入, 对于深水沉积过程的研究也越来越受到关注. 虽然目前关于海底沉积波的形成机理还存在很多争议, 但已有现代沉积实例证明至少浊流是可以形成海底沉积波的. 通过数值模拟的方法来研究海底沉积波的浊积形成机理, 不但可以阐明海底沉积波的形成过程, 而且对于海底工程、深水沉积动力学及深水油气储层预测都具有重要意义. 通过流体动力学模拟, 计算了流体区域的基于时间平均连续性方程和雷诺平均N-S方程, 研究了地形对浊流的影响, 阐明了海底沉积波的形成机理. 模拟结果表明: (1) 首先在坡的下游方向开始沉积是由于流体的减速, 导致密度增大, 浊流携带固体颗粒物的能力(流体容量)降低和较长时间的流体经过所造成的; (2) 在一个隆起的上坡处密度增大是由于隆起峰部流体的局部堵塞, 导致上坡处流体速度降低和压力升高所造成的; (3) 沉积首先从距浊流源头较远的地方开始, 随着迭代次数的增加, 即个体浊流事件的增多, 沉积波向上游迁移; (4) 随着颗粒粒径的减小, 沉积越来越慢, 但粒径并不影响地形对沉积的控制及沉积体的几何形态和沉积顺序.