低温液空储能系统液化流程模拟及其■分析

为了探索液化过程参数设计方法,利用Aspen Plus软件开展低温液空储能系统液化过程热力学特性的仿真研究,建立液化过程的模拟流程,并采用■分析方法研究了液化压力、节流入口温度、膨胀机入口温度对液化过程的影响规律,结合p-h图分析参数变化对膨胀过程工作特性的影响,获得液化过程各部件■损失随工作参数的变化情况。研究发现:液化压力的变化对节流阀及膨胀机■损失的影响较小,但较低的液化压力将导致液化过程冷箱热负荷降低,使得冷箱■损失降低;同时,较低的液化压力可有效减少膨胀机出口带液量,进一步提升液化过程的安全可靠性。当节流入口温度和膨胀机入口温度降低时,液化过程流量及出口总气相分量变小、冷箱换热量降低,使得节流阀和冷箱的■损失不断降低。液化过程的总■损失随着液化压力、节流入口温度、膨胀机入口温度的不断降低,其最大降幅分别为13.17%,51.02%和19.95%。结果表明:液化流程的参数优化设计可以有效降低系统能量损失、提升系统性能,有利于空分、天然气液化等低温系统及其设备的高效安全运行。     

基于异构并行的山洪动力演进模型和模拟研究

为建立山区小流域降雨-山洪演进正演模拟和预报方法,构建了从降雨、植被截留、土体入渗、坡面汇流到山洪演进全过程物理模型．采用一阶迎风差分格式求解描述坡面汇流到径流过程的扩散波方程,并在凸地形点采用修正算法确保计算精度和求解简便性．基于CPU(中央处理器)+GPU(图像处理器)异构并行加速技术实现从降雨到山洪动力演进全过程快速模拟,计算效率相对CPU单核提升300倍左右．通过一维构造地形试验、V型槽实验和都江堰龙溪河真实小流域山洪过程分析,验证了当前计算模型和方法的有效性,为基于动力过程的山洪灾害实时预报研究提供参考．     

低温透平膨胀机内平衡凝结两相流动的数值模拟

采用Peng-Robinson方程及零压多项式拟合了低温空气二元混合物的物性,利用商业软件ANSYS CFX对设计工况下的单相流动及进口升压降温后平衡凝结两相流动进行了数值模拟,得到了全低压空气分离流程中的低温两相透平膨胀机喷嘴和工作轮的温度场、压力场、流线及带液量云图,同时推导了该工况下膨胀机的等熵效率.结果表明,工作轮流道内吸力面壁面处的涡流会延迟凝结相变发生,叶片后缘处的尾迹使得吸力面壁面处的带液量有所减小.最后,通过实验验证了模拟结果,表明利用平衡凝结相变模型能够模拟小带液量透平膨胀机流道内的两相流动.该结果可为低温两相膨胀机研究提供参考.     

深冷液化空气储能系统的关键因素影响规律

立足于提高深冷液化空气储能系统能量转换效率,建立了深冷液化空气储能系统的热力学模型,借助Aspen Plus商用软件建立了热力计算的稳态仿真模型。模型验证工作说明了仿真模型的计算准确性。开展了设计工况下系统热力学分析研究,结合系统性能参数,分析了系统效率较低的原因并指出了优化方向;研究了压缩机级数、压缩机级间冷却方案和膨胀机级数等系统关键运行参数对系统及部件性能的影响规律。结果表明:系统采用原始设计方案时,压缩热利用率仅有38.42%,导致系统效率较低,仅为31.11%,可通过改善系统压缩热利用情况显著提升系统效率;当压缩机级数减少、采用无级间冷却方案时,膨胀机入口再热温度显著增加,使得系统效率大幅提升;随着膨胀机级数的增多,膨胀环节压缩热利用总量越多,系统效率越高。在此基础上,进一步探究了系统内部耦合提效方法,提出了一种系统优化设计方案,相较于原始设计方案,压缩热利用率提高至64.12%,系统效率提升至41.82%.研究结果可为深冷液化空气储能系统优化及其工程应用提供理论参考。     

基于GPU的隐式不可压缩SPH流体模拟

提出一种基于图形处理单元(Graphic Processing Unit,GPU)的不可压缩流体并行模拟算法.该算法使用并行基数排序技术提升了邻居查找效率,同时使用了GPU上的片上高速共享存储器,将流体计算过程中所需用到的数据尽可能从GPU的全局存储器中拷贝至共享存储器中,减小数据访问延迟,提高模拟效率.实验结果表明,基于GPU的并行模拟算法可以大幅提高流体模拟程序的性能,与基于CPU的单线程实现相比,可以到达38.2倍的加速比.     

稀薄气体高超声流动的非结构DSMC的并行化计算

 采用非结构化三角网格为基本网格单元,在可变硬球（VHS）分子模型、Borgnakke-Larsen唯象模型、Bird的化学反应几率模型及壁面CLL反射模型的基础上,本文用Fortran语言编制了能够模拟内能松弛、热力学非平衡和化学非平衡的稀薄气体直接模拟Monte-Carlo（DSMC）源程序。针对多核计算机上进行并行计算实现技术,将并行OpenMP的模型应用于DSMC方法,编制了可在多核计算机中进行数值模拟的非结构DSMC并行程序。分别对不同稀薄领域的不同工况高超声速气体绕圆柱流动问题进行数值模拟,得到热非平衡态对飞行器流场的影响。通过数值结果的比较,验证了编制的DSMC并行程序的正确性和合理性,以双CPU、双核计算机为例,并行后的计算效率提高了近一倍。这些数值结果对飞行器流场特性分析和有效地完成飞行器热防护具有重要意义。     

基于MPI二元合金三维枝晶生长相场法的并行研究

在对Ni-Cu二元合金进行三维模拟时采用了目前最有效的微观组织数值模拟方法—相场法.但是随着空间维数的增多,计算规模小、计算时间长、计算效率低成为突出的问题.为了解决以上问题,探讨基于MPI并行算法求解Ni-Cu二元合金自由生长的三维相场模型,分别采用MPI中点对点通信和组通信对串行程序进行并行设计,并对2种通信模式的加速比进行比较.同时采用不同的划分方法对并行程序中计算域进行划分并比较并行效率.结果表明:MPI并行方法可以使计算规模扩大到1 000个×1 000个×500个网格;在规模相同的情况下,组通信的加速比相对串行程序最高可以达到15.45倍,要高于点对点通信的10.06倍最高加速比;无论计算规模大小,点对点通信均适用,组通信由于数据缓存区的限制,不适用于计算规模较大的情况;面向行划分方式的计算效率和安全性均高于面向块划分方式.     

非线性规划在二元精馏塔仿真过程中的应用

为了解决大规模动态系统模型无法直接求解的问题,利用动态优化方法研究了非线性规划在精馏塔仿真计算中的可行性。针对流程工业中广泛应用的典型二元精馏塔分离过程,对其模型进行离散化,采用非线性规划的方法对其进行稳态计算,评价精馏塔的生产能力;在稳态计算的基础上,利用非线性解题器进行动态模拟,考察不同回流比对精馏塔分离效果的影响。结果显示,稳态及动态模拟计算数据符合工程实践规律与预期。研究表明:非线性规划作为分离过程这类复杂系统的新方法,可为大规模复杂非线性动态系统的模拟分析提供技术支持。     

面向流体机械仿真的层次化并行计算模型

随着流体机械基础并行算法的发展,传统的单核处理器已经不能很好地满足先进流体机械研发的技术需求,为此本文深入研究了流体机械的物理模型以及高性能计算机架构特点,设计并实现了能够充分表达物理模型并行性的高效的面向流体机械仿真的层次化并行计算模型(HP2H)。HP2H模型充分考虑流体机械的多层几何结构以及高性能计算机的多层逻辑架构,深入挖掘计算平台、计算模型以及物理模型的并行性,实现从物理模型到计算资源的高效任务映射。依据具体的轴流压气机转子数值模拟的实际应用背景,结合粗粒度并行和细粒度并行对模型进行实现。对HP2H计算模型进行了功能测试和性能测试,当计算核心从36核提升到432核时,计算性能提升约12倍,并行效率达到了100%。实验结果表明,HP2H计算模型不但在正确地对流体机械进行数值模拟的前提下实现了较好的计算性能,并且由于HP2H计算模型结合了粗粒度并行与细粒度并行,因而可以在不同的计算平台上运行,还可以便捷地实现计算规模的扩展,具有良好的可移植性与可扩展性。     

面向大数据应用的多层次混合式并行方法

基于很多大数据应用存在对数据进行多种并行处理的需求, 提出两层混合式并行方法, 即执行单元的混合并行和计算模型的混合并行. 通过在同一个计算节点上执行单元的混合并行, 充分挖掘基础设施的计算能力, 从而提高数据处理性能; 采用在同一个执行引擎中集成多个计算模型的并行方法, 以适合应用多样异质处理模式. 不同的混合并行方法可以契合不同的数据和计算特点, 以满足不同的并行目标. 介绍了混合式并行方法的基本思想, 并以前期开发的并行编程模型BSPCloud为基础, 阐述了进程和线程混合并行、BSP和MapReduce混合并行的主要实现机制.     

基于多GPU加速的各向异性弹性波正演模拟

比较分析了在不同网格大小介质模型情况下,分别采用串行计算、CPU 16个线程并行计算和4块GPU并行计算进行各向异性弹性波动方程正演模拟的执行时间差异。发现在网格点为2563的大模型上,用4块GPU的并行模拟计算相对16线程并行计算与串行计算的加速分别为30倍与156倍。表明多GPU并行算法可以显著缩短数值模拟时间,而且模型网格越大,加速效果越显著。因此,在单机环境下进行大尺度模型的各向异性弹性波正演模拟,采用多GPU并行计算方式是一个合适的加速选择。     

气凝胶玻璃的气候适用性分析

建立了气凝胶玻璃的光学模型与动态传热模型并进行了实验验证.根据已有理论方法建立了其他5种对比玻璃的模型,分别是:双层中空玻璃模型、三层中空玻璃模型、高透型Low-E中空玻璃模型、双银型Low-E中空玻璃模型和遮阳型Low-E中空玻璃模型.提出利用太阳能效用量指标来评价玻璃的全年适用性,并借助累计逐时得热量指标来评价玻璃在供暖期或空调期的适用性.结果表明:气凝胶玻璃在严寒地区(哈尔滨)、寒冷地区(北京)、夏热冬冷地区(长沙)、温和地区(昆明)均具有一定的节能潜力,气凝胶玻璃的太阳能效用量分别高出双层中空玻璃266.3、158.6、114.3、40.5 kWh/m~2(水平面),气凝胶玻璃的气候适用性序列为哈尔滨北京长沙昆明.     

基于多核的并行混合交通微观仿真系统

为了提高混合交通微观仿真的运行速度,基于多核并行计算技术构建了一个混合交通微观仿真平台.文中首先从平台功能结构、并行混合交通微观仿真流程设计与实现两个方面对平台进行介绍;其次,设计并实现了该仿真平台的关键并行算法,包括初始路网分割算法、车辆穿越边界算法及动态负载平衡算法;最后,通过仿真实验验证了多核并行计算技术能够大大提高混合交通微观仿真的运行效率.     

基于OpenCL的图像灰度化并行算法研究

随着图像数据量的增加,传统单核处理器或多处理器结构的计算方式已无法满足图像灰度化实时处理需求.该文利用图像处理器(GPU)在异构并行计算的优势,提出了基于开放式计算语言(OpenCL)的图像灰度化并行算法.通过分析加权平均图像灰度化数据处理的并行性,对任务进行了层次化分解,设计了2级并行的并行算法并映射到“CPU+GPU”异构计算平台上.实验结果显示:图像灰度化并行算法在OpenCL架构下NVIDIA GPU计算平台上相比串行算法、多核CPU并行算法和CUDA并行算法的性能分别获得了27.04倍、4.96倍和1.21倍的加速比.该文提出的并行优化方法的有效性和性能可移植性得到了验证.     

基于CUDA架构并行算法的带地形AMT二维反演实现与应用

并行计算是提高音频大地电磁（audio-frequency magnetotelluric method,AMT）数据反演效率的有效途径。本文在统一计算设备架构(compute unified device architecture,CUDA) 下开展带地形的AMT数据二维反演并行算法研究,旨在利用GPU强大的计算能力及并行计算技术实现高精度、快速度的AMT数据二维反演。首先利用有限元和自适应正则化反演算法实现AMT数据二维反演的串行化计算;然后在PGI Visual Fortran+ CUDA5.5环境下编写基于CPU+GPU的CUDA并行代码,将正演中的频率循环、反演中的模型灵敏度矩阵计算和反演方程正则化求解部分进行并行化处理;通过不同复杂程度的理论模型正反演模拟验证了该并行算法的有效性和准确性。不同模型和不同模式下的数值模拟结果对比表明,基于CPU+GPU的CUDA并行算法相较于传统的CPU串行算法,在灵敏度矩阵计算和反演方程正则化方面耗时更少,加速比最高可达10倍以上。最后将该并行算法应用于某矿区实测AMT数据的二维反演中,取得了较好的应用效果。     

无网格数值模拟的并行算法研究

对无网格数值模拟的并行算法进行了详细研究.包括使用并行桶搜索算法进行节点搜索,使用并行几何搜索算法进行样点搜索,并行计算无网格形函数及其导数,边界条件的并行处理,使用并行预处理共轭梯度法求解方程组以及负载平衡等.最后给出了无网格数值模拟并行计算的实施流程和计算实例.计算结果表明,无网格数值模拟具有很高的并行性和很好的并行效率,计算规模越大,并行效率越高.     

间冷式电冰箱系统的动态过程

间冷式电冰箱的制冷量通过空气强迫对流流动进行分配,热力参数是时间和位置的函数,而且参数间相互耦合．由于实际装置的复杂性,需要对间冷式冰箱装置进行深入细致的分析研究,方可建立既能描述动态过程,又具有仿真计算可行性的模型．将间冷式电冰箱分解为主动系统与被动系统,在对两系统进行详细的关联性分析后,建立了间冷式电冰箱系统的仿真计算模型．计算结果与实验结果的比较表明,仿真计算模型能较好地描述间冷式电冰箱的动态过程     

压铸充型过程模拟并行搜索算法

压铸过程充型模拟技术存在的主要问题之一是迭代过程缓慢而导致计算效率较低。该文通过对压铸充型的数学模型和计算模型进行分析 ,利用机群计算平台 ,提出并建立了一种并行搜索计算模型。该模型在原有串行算法的基础上 ,通过效率参数的适当选择和调整 ,实现了利用并行计算优化串行过程的目的。这种算法可以充分发挥各个结点的计算能力 ,有效降低结点之间的通信时间。通过对实际压铸零件进行的计算测试表明 ,该算法在保证原有计算精度的前提下 ,可以在一定范围内极大地提高计算效率。     

基于计算统一设备架物Fortran的直接模拟蒙特卡洛方法并行优化

利用基于图形处理器（GPU）的计算统一设备架构(CUDA) Fortran编程平台,对直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法进行并行优化,并以高超声速气动热计算为例,考察了串行与并行计算速度以及不同仿真分子数对并行效率的影响.结果表明,在保证计算精度不变的情况下,程序取得了4～10倍的加速比,并且加速性能高低与计算规模大小成正比.