分布式水文模型时空离散化并行计算方法研究

时空离散化并行计算是一种效率较高的并行计算方法,但以往的研究主要基于MPI框架和多树编码规则。为了使应用广泛的Pfafstetter编码的分布式水文模型实现时空并行计算,采用OpenMP编程模型,为WEP-L分布式水文模型汇流过程设计了基于Pfafstetter编码的分层模拟单元方法和时空离散化方法。首先分层模拟单元方法根据Pfafstetter编码规则建立子流域拓扑表,使子流域按照从上游到下游的顺序进行分层,然后在此基础上考虑时间因素重新分层实现时空离散化,最后将同一层中时间及空间上互不影响的子流域模拟任务分配给不同的线程实现并行计算。选取黄河流域作为研究区域,在不同线程条件下对并行效果进行了测试,结果表明,汇流并行化提高了模型模拟效率。基于20核的CPU,仅考虑分层模拟单元方法时,加速比最大为4.14,而采用时空离散化方法时,加速比能够达到8.17。     

二维浅水波方程格子Boltzmann算法的GPU并行实现

根据二维浅水波方程的特点,运用计算二维明渠非恒定流的格子Boltzmann模型;利用格子Boltzmann算法耦合度低和CUDA(Compute Unified Device Architecture)线程级并行的优势,在GPU(Graphic Processing Unit)上实现了该模型的并行求解.通过对一维溃坝波和二维渍坝波的模拟,验证了模型的正确性和GPU计算的可靠性与高效性.对比分析显示,该模型在GPU上并行计算的每秒格点演进数达数十亿,运算效率比在单核CPU上高出数百倍.     

平面二维有限元非均匀沙数学模型研究

建立了平面二维非均匀沙有限元数学模型 ,着重考虑对非均匀沙分组挟沙力及床面颗粒级配调整的处理 ,并通过一个具有代表性的算例 ,说明该模型能够合理地模拟出平面二维水流流场、河床的冲淤和泥沙级配的变化 ,从定性上检验了该模型的正确性。     

宁夏沙坡头河段二维水沙运动数值模拟研究

以沙坡头河段水沙运动为研究对象,利用平面二维水沙运动数学模型,采用非结构网格对模拟区域进行网格划分,以有限体积法为工具对水库的水沙运动进行了数值模拟.流速、河底高程模拟值与实测值的比较表明,所建立的平面二维水沙模型能够较为精确模拟沙坡头库区二维水沙运动,所采用的非结构网格有限体积法是适用的.研究结果为进一步研究水库的泥沙淤积规律奠定了基础,对水库的高效运行具有一定的参考价值.     

基于GPU-CUDA并行的虚拟网格有限差分法求解器

基于CPU/GPU异构体系架构的流体力学并行计算已经成为当前CFD研究领域的重点之一。该文自主开发了一高效虚拟网格法并行求解器以模拟绕动边界的不可压缩流动问题,基于GPU的计算统一设备架构(Computing Unified Device Architecture,CUDA)并行编程模型对该求解器进行加速。该文模型采用有限差分法在交错直角网格上求解不可压缩Navier-Stokes方程,采用虚拟网格通过在浸入边界内布置有限数量的虚拟网格(固体内部但邻近流体的网格)以计及浸入边界对流场的影响。通过合理分配线程块内线程数量,减少主机与设备之间的数据通信,充分利用共享内存和高效求解泊松方程,提高并行效率。为验证该并行求解器的精度和效率,对静止流体中二维振荡圆柱和三维振荡球体算例进行模拟,研究发现：GPU并行求解器相比于CPU串行求解器在不同网格上均获得至少一个量级的加速比,且网格数量越多,加速效果越好,在二维细网格上获得100倍以上的加速比,在三维较细网格上获得超过4 000倍的加速比。     

感潮河段水沙数学模型研究与应用

感潮河段的水流和泥沙运动均具有很强的非恒定性,采用有限体积法建立了一套感潮河段平面二维水流泥沙数学模型。模型采用同位网格的SIMPLEC法对水流方程进行离散和求解,较全面地考虑了非均匀悬移质及推移质运动,具有较好的普遍适用性。以长江下游口岸直河段和仪征河段为例,分别对模型作了定床和动床计算,计算结果与实测值符合较好,从而证明了模型的可靠性。     

河流水冰沙耦合模型研究Ⅱ：验证与应用

北方河流冬季河冰运动会带来凌汛灾害威胁,研究流凌运动对水流、泥沙和河道的影响具有重要工程意义。本文在平面二维河冰动力学模型基础上,建立二维水冰沙耦合数值模型。基于三角形的非结构网格,采用具有迎风特性的Petrov-Galerkin型有限元法计算非恒定水流过程、非恒定非均匀沙输运和河床冲淤变化,利用无网格的SPH法计算河冰运动,基于河冰对岸滩的刮擦切应力计算岸坡侵蚀,再利用双泥沙休止角法分析不同含水层岸坡的稳定坡面。该模型创新性地耦合水沙理论和河冰理论,能模拟北方河流全季节及河冰全过程的水位流量波动、河冰运动、泥沙输移、河床冲淤及岸滩崩塌过程。通过实验条件下溃坝引起的岸坡崩塌侵蚀验证了模型的准确性和可靠性,研究结果显示该模型能再现水流、河冰、泥沙、河床及河岸间的复杂耦合作用,揭示河冰刮擦对岸滩侵蚀破坏的促进机理,可进一步支撑冬季河道防凌减灾和岸滩水土保持研究。     

河势贴体河道平面二维正交网格生成方法的研究及应用

基于河势概念和Hermite三次插值函数 ,提出了河势贴体河道平面二维正交四边形网格的生成方法 ;与边界层坐标系下水深平均流体力学控制方程和SIMPLER算法联合使用 ,建立了河道平面二维数学模型 ;进行了葛洲坝枢纽至磨盘溪河段二维网格生成及水流泥沙数学模型的实例研究 ;讨论了该网格生成方法的主要特征     

江湖系统显式与隐式二维水动力模型比较

深入认识大型江湖系统水动力特性,需要使用平面二维数学模型代替传统一维数学模型开展模拟和研究。当以高分辨率计算网格作为前提时,大型江湖系统二维水动力模型“计算精度与效率”的矛盾则转化为计算效率瓶颈。以荆江-洞庭湖系统为背景(剖分为32.8万个四边形单元,最小网格尺度约50 m),选用MIKE21模型和一种半隐式欧拉-拉格朗日模型,开展大型江湖系统显式、隐式水动力模型性能的比较研究,探讨大型江湖系统高分辨率二维模型的可实用性。研究结果表明:显式模型稳定性较差,允许的最大时间步长为0.8 s;隐式模型稳定性好,时间步长可达60 s以上;在常规16核工作站的效率测试结果表明,显式模型具有良好的可并行性,加速比随核心数量基本呈现线性变化;隐式模型(使用预测-校正分块并行计算方法)亦可取得非常大的加速比,在16核心并行条件下加速比S_p可达11.1;模拟荆江-洞庭湖系统1年的非恒定流过程,显式、隐式模型的耗时分别为411、10.76 h(16核),后者计算效率是前者的38.2倍,可满足大型江湖系统整体高分辨率平面二维水动力模拟的实用性要求。     

黄河下游平面二维非恒定输沙数学模型:I-模型方程与数值方法

黄河下游冲淤变形剧烈,其平面二维泥沙数学模型的研究与开发是一个极其复杂的难题,在学术与工程实践上都具有重要意义。本文构建起具有通用性的黄河下游平面二维非恒定输沙数学模型。在该模型中:采用修正的河床变形方程;克服了以往数学模型计算中取饱和恢复系数小于1的缺陷;引入了符合黄河下游河道水沙特点的水流挟沙力和河床糙率计算等公式。在数值方法上:采用边界拟合坐标,对水流连续性方程与动量方程采用交错网格上的ADI方法进行离散求解,对泥沙连续性方程则采用控制容积法进行离散。     

DWSM动态并行计算技术

针对DWSM计算模式鲁棒性低、计算时间长、无法实现多核计算等局限性,对模型的算法和存储规则进行相应改进。在遵从DWSM计算逻辑顺序的基础上,抛弃原计算单元顺序表模式关于虚拟河道的假设,采用流域分区概念进行河网树结构的模式设计,在基于叶节点并行计算的基础上研究动态分级并行计算技术,以进一步完善计算模式。以黄河宁蒙段流域为实例,计算结果表明,算法的优化极大地提高了DWSM的计算效率,增强了其对大范围、具有复杂河网结构流域水沙规律研究的适用性。     

Application of 2-D sediment model to fluctuating backwater area of Yangtze River

Based on the characteristics of backflow,a two-dimensional mathematical model of sediment movement was established.The complexity of the watercourse boundary at the confluence of the main stream and the tributary was dealt with using a boundary-fitting orthogonal coordinate system.The basic equation of the two-dimensional total sediment load model,the numerical calculation format,and key problems associated with using the orthogonal curvilinear coordinate system were discussed.Water and sediment flow in the Chongqing reach of the Yangtze River were simulated.The calculated water level,flow velocity distribution,amount of silting and scouring,and alluvial distribution are found to be in agreement with the measured data,which indicates that the numerical model and calculation method are reasonable.The model can be used for calculation of flow in a relatively complicated river network.     

台阶式溢洪道非掺气水流水面线的计算

台阶式溢洪道水面线是确定边墙高度的重要参数,目前尚无系统的研究成果.根据明渠非均匀渐变流理论,分析了台阶段水面线的计算方法;模型试验表明,用非均匀渐变流理论计算台阶式溢洪道非掺气水流水面线时,必须考虑局部水头损失的影响.经对比分析,台阶上的局部阻力系数ζ=0.5时计算水深和实测水深吻合良好.溢流反弧段水面线可以用动量方程给出的公式计算.同时,对于坡度为30°,51.3°和60°的WES曲线段,也通过模型试验给出了水面线的计算式.对比分析认为,本文给出的台阶式溢洪道非掺气水流全程水面线的计算方法简单,精度高.     

引黄灌区非均匀沙运动数学模型研究

泥沙问题是制约引黄灌区可持续发展的重要因素，灌渠的规划设计阶段和日常的运行管理中都需要掌握渠道的泥沙冲淤情况。本文根据一维水流非均匀沙运动方程，结合灌区灌溉特点和测量资料情况作了概化处理，建立了适合于灌区的非均匀沙冲淤计算的数学模型。模型中考虑渠系沿程的分水分沙和冲淤交换，将断面流量按渠段划分并计算，悬移质泥沙按粒径分组计算，根据分组水流挟沙力和非均匀悬移质不平衡输沙公式计算泥沙含沙量。模型采用山东簸箕李灌区的实测资料进行验证，表明模型可用于预测不同来水来沙条件下非均匀沙在渠道内的运动淤积分布情况。     

枢纽下游航道整治线宽度的确定方法

根据水利枢纽下游浅滩的碍航特性以及是否受到枢纽下泄水流的非均匀流影响,将碍航浅滩分为4种类型,分析了非恒定水流的输沙能力,讨论了碍航浅滩年内输沙不平衡的处理方法。在此基础上,提出了枢纽下游航道整治线宽度计算公式。该公式简化后与规范所推荐的公式一致,并采用汉江资料进行了计算。     

基于有限体积法的河网水动力并行计算模型

针对具有干河床、急缓流态交替的河网水动力模拟,采用MUSCL-Hancock有限体积格式离散Saint-Venant方程组,运用汊点水位预测-校正法处理河网汊点连接条件,建立了断面与河道完全数值解耦的复杂河网水动力模型。运用OpenMP和OpenACC编程模式分别实现了CPU,GPU并行计算。采用经典算例对模型计算精度进行了验证,采用珠三角河网实际算例对不同并行计算方式的加速效果进行了分析。算例研究表明,该模型具有良好的稳定性和计算效率,可适用于陡坡河道水动力模拟,具有较好的推广应用价值。     

Hydropower Optimization for the Lower Seyhan System in Turkey using Dynamic Programming

Abstract

Dynamic programming with successive approximation has been used in the past for optimizing multi-reservoir water resources systems. In this study, the State Incremental Dynamic Programming (SIDP) model is developed for energy optimization of multi-reservoir systems. A random file access method is used for reaching initial and intermediate data to cope with the curse of dimensionality of dynamic programming. A conventional dynamic programming method is used for each single reservoir to find the initial trajectory of the reservoirs. Then, the computer program developed in the study is applied to the multipurpose-multi-reservoir system in Lower Seyhan Basin, which has six reservoirs, some of which are serial and some parallel. First, extended historical flows were used to maximize firm energy in the critical period, and then total energy in the total flows. The program was run with 50-year long segments (20 flow scenarios) of the synthetic flow data generated by using the HEC-4 generalized computer program to take into account the stochastic nature of stream flows. An increment of approximately 20 percent in total energy was obtained by using the model for the Lower Seyhan System, as compared to that calculated previously by conventional methods.     

Hydropower Optimization for the Lower Seyhan Basin System in Turkey using dynamic programming

Abstract

Dynamic programming with successive approximation has been used in the past for optimizing multi-reservoir water resources systems. In this study, a State Incremental Dynamic Programming (SIDP) model is developed for energy optimization of multi-reservoir systems. A random file access method is used to generate initial and intermediate data and cope with the curse of dimensionality of dynamic programming. The conventional dynamic programming method is used for each single reservoir to find the initial trajectory of the reservoirs. Then, the computer program developed in the study is applied to the multipurpose-multi-reservoir system in lower Seyhan basin, which comprises six reservoirs, some serial and some parallel. Extended historical flows are used to first maximize firm energy in the critical period, and then total energy over the entire period of flow records. The program is run with 50-year long segments (20 flow scenarios) of the synthetic flow data generated by using the hec-4 generalized computer program to account for the stochastic nature of streamflows. A 20% approximate increase in total energy is obtained by using the developed model for the lower seyhan basin system as compared to that calculated previously by conventional methods.     

基于改进ACMPSO 并行算法的土石坝本构参数反演

针对一般的优化算法进行土石坝本构参数反演时收敛速度慢,且容易陷入局部最优的问题,引入动态变异系数和OpenMP并行指令,对自适应混沌变异粒子群算法(ACMPSO)进行改进,并采用实例对改进算法进行了验证。实例验证结果表明,与一般优化算法相比,改进的ACMPSO并行算法能够有效避免算法陷入局部最优的问题,大幅降低计算耗时,具有收敛速度快、反演精度高、稳定性好等特点,适用于处理高维度、计算量庞大的复杂参数反演问题。