基于ARM SVE的光滑粒子流体动力学SIMD加速方法

光滑粒子流体动力学（SPH）是近年来兴起的一种无网格的粒子方法,SPH在处理大变形、运动物质表面以及自由表面等问题时优势明显,在数值模拟领域得到了非常广泛的应用,是一种典型的科学计算应用。作为一种显式的粒子方法,SPH在每一个迭代步都需要计算大量的粒子间相互作用,计算量非常大,如何提高SPH的计算效率成为研究热点。可伸缩矢量扩展（SVE）是ARM针对高性能计算推出的下一代SIMD指令集,基于SVE研究了SPH方法的SIMD加速方法,取得了显著的加速效果。     

基于SPH方法的滴水涟漪动画模拟

光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH）方法是一种新近发展的可用于流体模拟的无网格数值方法。文中基于SPH方法的基本原理,利用SPH方法求解描述水流现象的二维浅水波方程,根据具体模型使用Mon-aghan人工粘性的变形形式,有效地防止了相互靠近粒子的穿透,消除了SPH方法在模拟流体动力学问题时产生的数值振荡。通过使用可变光滑长度,使邻近粒子的数量保持相对稳定,提高了求解的计算效率和精度。同时,对光滑长度进行了修正以获取对称光滑长度,保持了粒子间相互作用对称性。全面考虑了各种定解条件的设置,对水滴的运动进行了模拟,SPH模拟结果与有限差分法、有限体积法结果非常吻合,验证了方法的准确性,为SPH方法的进一步发展和广泛运用奠定了基础。     

基于SPH方法的滴水涟漪动画模拟

光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法是一种新近发展的可用于流体模拟的无网格数值方法.文中基于SPH方法的基本原理,利用SPH方法求解描述水流现象的二维浅水波方程,根据具体模型使用Monaghan人工粘性的变形形式,有效地防止了相互靠近粒子的穿透,消除了SPH方法在模拟流体动力学问题时产生的数值振荡.通过使用可变光滑长度,使邻近粒子的数量保持相对稳定,提高了求解的计算效率和精度.同时,对光滑长度进行了修正以获取对称光滑长度,保持了粒子间相互作用对称性.全面考虑了各种定解条件的设置,对水滴的运动进行了模拟,SPH模拟结果与有限差分法、有限体积法结果非常吻合,验证了方法的准确性,为SPH方法的进一步发展和广泛运用奠定了基础.     

SPH方法核近似形式改进及算法研究

光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法是一种无网格拉格朗日粒子法,目前在流体力学领域以及大变形和冲击载荷等问题的模拟方面具有广泛的应用,众多学者在SPH算法方面开展了大量的研究,以提高SPH算法的计算速度和精度.针对现有SPH方法在边界附近粒子近似精度下降的问题,本文在CSPH方法和MSPH方法基础上提出了一种改进的核近似形式,在求解场函数、一阶导数近似值以及二阶导数近似值过程中,对含二阶导数项的方程进行优化,减少了二阶导数项近似值的求解个数,相比MSPH方法减少了计算量.此外,本文基于改进的SPH算法,建立了二维数值波浪水槽模拟推板造波,通过数值模拟造波将SPH算法生成的波浪参数与理论值进行对比,验证了改进的SPH方法在波浪生成和传播上具有较好的模拟效果,为后续研究内波、畸形波以及非线性波相互作用提供了算法研究基础.     

几种溃坝问题的SPH方法数值模拟

光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)法是近二十年来发展起来的一种纯的拉格朗日无网格粒子方法.由于它计算空间导数时不需要使用网格并且具有自适应性质,从而避免了高维拉氏网格法中的网格缠结和扭曲的麻烦,被广泛地应用到了各种领域.通过介绍SPH方法并结合浅水波方程,引入处理边界问题常用的虚粒子方法.利用SPH方法结合虚粒子的方式讨论了对于溃坝问题中常见的漂浮物和障碍物的模拟,并通过数值实验的方式证明了此方法在模拟复杂流体运动上的可行性,为SPH方法的进一步发展和广泛应用奠定了基础.     

微可压缩SPH流体的稳定性固体边界处理算法

固流耦合,即流体的固体边界处理一直是基于物理的流体模拟技术的研究重点.为解决SPH流体模拟中固流耦合存在的交界面处流体粒子衰减和穿透问题,提出一种固体采样边界粒子与动量守恒保持的位置-速度修正方案相结合的固流耦合方法.首先在预处理阶段对快速格子形状匹配(fast lattice shape matching,FLSM)模型表示的固体边界进行表面和内部边界粒子采样;然后在运行过程中计算流体粒子密度和受力时考虑边界固体粒子的相对贡献;最后利用动量守恒保持的位置-速度修正方案对流体粒子进行位置和速度的修正.为了提高计算速度以满足交互式应用需求,把每个迭代步长内的计算完全并行化后加载到GPU上进行加速处理.实验结果表明,该算法实现了微可压缩SPH流体与刚体以及弹性体的双向耦合,并可以高效、稳定地模拟固流耦合中的非穿透、液滴飞溅、溶解等复杂现象.     

储箱内液体晃动动力学分析及防晃结构优化

基于光滑粒子流体动力学( SPH)方法对无阻尼板和装有阻尼板的矩形储箱在加速度激励作用下,储箱内液体的晃动与冲击进行了三维数值模拟,将测试点的计算压力及液体晃动模拟与试验进行了对比,吻合较好.从而验证了SPH方法在求解具有强非线性液体大幅晃动问题方面的准确性和优越性.分析表明:阻尼板的安装对液体的晃动特性具有显著的影响...     

GPU中的流体场景实时模拟算法

为了实时模拟真实的大规模流体场景,提出一种基于平滑粒子流体力学(SPH)进行流体场景模拟的算法.首先提出了新的精细程度函数作为非均匀采样的依据,以减少实际模拟时所需的粒子数,提高模拟的速度;然后引入一种三维空间网格划分算法和改进的并行基数排序算法,以加快模拟过程中对邻域粒子和边界的查找及其相互作用的计算;最后使用最新的NVIDIA(CUDA(架构,将SPH的全部模拟计算分配到GPU流处理器中,充分利用GPU的高并行性和可编程性,使得对SPH方法的流体计算和模拟达到实时.实验结果表明,采用文中算法能对流体场景的计算模拟达到实时,并实现比较真实的模拟效果.与已有的SPH流体CPU模拟方法相比,其加速比达到2个数量级以上,同时相比已有GPUSPH方法,能模拟出更为丰富的细节效果.     

基于共享与分布随机数的并行粒子发射算法

对高功率微波三维电磁PIC数值模拟中采用束流发射方式的粒子随机生成规律进行了研究.提出了一种基于共享与分布随机数的并行粒子发射算法,以满足多个处理机对单个随机数产生器产生的随机数序列的共享和分布需求,即共享部分随机数,而分别使用其他随机数.这些共享和分布需求在程序运行前是非确定性的.将该并行算法用于一典型高功率微波源器件中模拟,数值实验表明并行程序可以较好地吻合串行程序得到的粒子相空间物理图像.     

非均匀粒子流体模拟

基于物理模型的流体模拟能精确描述流体的运动,但计算量大、实时性较差。根据流体的物理模型,提出了一种基于光滑粒子动力学(SPH)的非均匀粒子模拟流体的方法。提出了一种多因素决定粒子精细度的方法,显著减少了实际模拟需要的流体粒子数目,提高了模拟的速度而又不降低模拟真实感。流体的表面重构采用了一种新的基于屏幕空间的高真实感、高速的重构算法。实验结果表明,与传统的SPH方法相比,该方法在模拟同样场景情况下能大幅降低需要的粒子数目,提升了算法的效率。     

基于CUDA的弱可压SPH流体建模与仿真

为了实现小尺度范围流体场景的实时、真实感模拟,采用弱可压SPH方法对水体进行建模,提出了流体计算的CPU GPU混合架构计算方法。针对邻域粒子查找算法影响流体计算效率的问题,采用三维空间网格对整个模拟区域进行均匀网格划分,利用并行前缀求和和并行计数排序实现邻域粒子的查找。最后,采用基于CUDA并行加速的Marching Cubes算法实现流体表面提取,利用环境贴图表现流体的反射和折射效果,实现流体表面着色。实验结果表明,所提出的流体建模和模拟算法能实现小尺度范围流体的实时计算和渲染,绘制出水的波动、翻卷和木块在水中晃动的动态效果,当粒子数达到1 048 576个时,GPU并行计算方法相较CPU方法的加速比为60.7。     

GPU‐assisted real‐time coupling of blood flow and vessel wall

The vessel wall and the blood flow interact and influence each other, and real‐time coupling between them is of great importance to the virtual surgery as well as the research and diagnosis of vascular disease. On the basis of smoothed particle hydrodynamics (SPH), we present a new approach to solve non‐Newtonian viscous force of blood and a parallel mixed particles‐based coupling method for blood flow and vessel wall. Meanwhile, we also design a proxy particle‐based vessel wall force visualization method. Our method is as follows. Firstly, we solve the non‐Newtonian viscous forces of blood through the SPH method to discretize the Casson equation. Secondly, in each time step, we combine blood particles and sampling proxy particles on the blood vessel wall to form mixed particles and calculate the interaction forces through the SPH method between every pair of the neighboring mixed particles inside the graphics processing unit. Thirdly, the forces of the proxy particles will be mapped to the color display of the proxy particle. Experimental results demonstrate that our method is able to implement real‐time sizeable coupling of blood flow and vessel wall while mainly ensuring physical authenticity and it can also provide real‐time and obvious information about vessel wall force distribution. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

A new 3D parallel SPH scheme for free surface flows

We propose a new robust and accurate SPH scheme, able to track correctly complex three-dimensional non-hydrostatic free surface flows and, even more important, also able to compute an accurate and little oscillatory pressure field. It uses the explicit third order TVD Runge-Kutta scheme in time, following Shu and Osher [Shu C-W, Osher S. Efficient implementation of essentially non-oscillatory shock-capturing schemes. J Comput Phys 1988;89:439-71], together with the new key idea of introducing a monotone upwind flux for the density equation, thus removing any artificial viscosity term. For the discretization of the velocity equation, the non-diffusive central flux has been used. A new flexible approach to impose the boundary conditions at solid walls is also proposed. It can handle any moving rigid body with arbitrarily irregular geometry. It does neither produce oscillations in the fluid pressure in proximity of the interfaces, nor does it have a restrictive impact on the stability condition of the explicit time stepping method, unlike the repellent boundary forces of Monaghan [Monaghan JJ. Simulating free surface flows with SPH. J Comput Phys 1994;110:399-406]. To asses the accuracy of the new SPH scheme, a 3D mesh-convergence study is performed for the strongly deforming free surface in a 3D dam-break and impact-wave test problem providing very good results.Moreover, the parallelization of the new 3D SPH scheme has been carried out using the message passing interface (MPI) standard, together with a dynamic load balancing strategy to improve the computational efficiency of the scheme. Thus, simulations involving millions of particles can be run on modern massively parallel supercomputers, obtaining a very good performance, as confirmed by a speed-up analysis. The 3D applications consist of environmental flow problems, such as dam-break flows and impact flows against a wall. The numerical solutions obtained with our new 3D SPH code have been compared with either experimental results or with other numerical reference solutions, obtaining in all cases a very satisfactory agreement.     

光滑粒子动力学核心算法与软件开发中的关键问题

针对光滑粒子动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)软件开发中诸多关键性问题未得到解决、开发进程相对滞后的问题,从SPH的精度、粒子近似离散格式、粒子分布和大小、变形的自适应、时间积分步长的自适应及边界算法和耦合算法等方面,分析核心算法以及SPH软件开发中的关键问题,如高性能计算...     

SPH-GPU并行计算在风沙流中的应用

为了实现小尺度范围风沙运动的真实感模拟,采用基于拉格朗日力学无网格形式的光滑粒子流体动力学（smooth particle hydrodynamics,SPH）方法解决了基于欧拉网格法因网格大变形或者变形边界等引起的各种问题,并克服了不能用固定欧拉网格追踪任意单颗粒子运动轨迹的困难,因此该方法在研究风沙运动方面有着独特的优势。然而,随着风沙流动中SPH粒子数目的增加,该方法计算效率低,计算规模大的缺陷在风沙模拟过程中尤为明显。为了提高其计算效率,在CUDA软硬件平台上,建立SPH-GPU并行加速的二维气沙两相耦合模型,对串行的热点程序进行分析,找出最耗时且适合并行的热点程序;其次对GPU并行计算模型进行验证,宏观上得到了沙粒群运动的时空变化规律,微观上得到了典型沙粒的跃移轨迹和变异的尖角轨迹;最后对比了三种不同粒子数下CPU与GPU的计算效率。模拟结果证明SPH-GPU并行计算方法能够进一步应用在风沙流的数值模拟研究中。     

Smoothed particle hydrodynamics: Applications to heat conduction

In this paper, we modify the numerical steps involved in a smoothed particle hydrodynamics (SPH) simulation. Specifically, the second order partial differential equation (PDE) is decomposed into two first order PDEs. Using the ghost particle method, consistent estimation of near-boundary corrections for system variables is also accomplished. Here, we focus on SPH equations for heat conduction to verify our numerical scheme. Each particle carries a physical entity (here, this entity is temperature) and transfers it to neighboring particles, thus exhibiting the mesh-less nature of the SPH framework, which is potentially applicable to complex geometries and nanoscale heat transfer. We demonstrate here only 1D and 2D simulations because 3D codes are as simple to generate as 1D codes in the SPH framework. Our methodology can be extended to systems where the governing equations are described by PDEs.     

固体冲击模拟的轴对称光滑粒子法

为提高光滑粒子（Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH）法模拟轴对称固体冲击的计算效率,将三维模型简化到二维轴对称平面上;为避免在构造轴对称SPH法过程中对光滑函数进行环向积分,在传统SPH法的基础上通过直接离散的方式,利用导数关系式与SPH法的近似特性,构造在轴对称柱坐标系下具有对称形式的粒子近似方程组．以泰勒杆冲击为例,将该方法的计算结果与实验以及商业软件得到的结果进行对比分析,验证所构造的轴对称SPH法的可靠性和正确性．     

基于光滑粒子动力学方法的爆轰波对碰实验数值仿真

为分析爆轰波对碰实验及不同材料飞层在爆轰波对碰作用下的动力学响应,采用能处理断裂和复杂界面的光滑粒子动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法进行数值模拟.采用二维轴对称SPH离散形式,光滑函数采用B-样条函数;利用二维流体动力学程序进行数值模拟.数值模拟结果与实验结果符合较好...