多松弛时间格子Boltzmann方法在GPU上的实现

近年来,随着统一计算设备构架(CUDA)的出现,高端图形处理器(GPU)在图像处理、计算流体力学等科学计算领域的应用得到了快速发展.属于介观数值方法的格子Boltzmann方法(LBM)是1种新的计算流体力学(CFD)方法,具有算法简单、能处理复杂边界条件、压力能够直接求解等优势,在多相流、湍流、渗流等领域得到了广泛应用.LBM由于具有内在的并行性,特别适合在GPU上计算.采用多松弛时间模型(MRT)的LBM,受松弛因子的影响较小并且数值稳定性较好.本文实现了MRT-LBM在基于CUDA的GPU上的计算,并通过计算流体力学经典算例--二维方腔流来验证计算的正确性.在雷诺数Re=[10,104]之间,计算了多达26种雷诺数的算例,并将Re=102,4×102,103,2×103,5×103,7.5×103算例对应的主涡中心坐标与文献中结果进行了对比.计算结果与文献数值实验符合较好,从而验证了算法实现的正确性,并显示出MRT-LBM具有更优的数值稳定性.本文还分析了在GPU上MRT-LBM的计算性能并与CPU的计算进行了比较,结果表明,GPU可以极大地加快MRT-LBM的计算,NVIDIA Tesla C2050相对于单核Intel Xeon 5430 CPU的加速比约为60倍.     

基于时空混沌系统的彩色图像加密算法*

提升混沌系统的复杂性,对保证基于混沌的加密算法的安全性有重要的意义。本文将分段Logistic映射引入到时空混沌模型中,有效增加了时空混沌模型的复杂性。基于此模型提出了彩色图像的加密方法。在加密算法中,为了增强算法的安全性,以时空混沌系统的状态值作为置乱方程选择的依据,同时考虑了彩色图像R,G和B三个分量之间的相互置乱。然后,利用时空混沌模型产生的复杂数字序列对置乱后的图像进行扩散操作。经多轮的置乱和扩散操作后,产生最终的加密图像。性能分析以及仿真实验的结果表明该算法具有良好的安全性,能够有效满足图像在网络中安全传输的需求。     

基于时空混沌的视频流加密算法

基于视频具有数据量大、实时性要求高等特点,在一维耦合映像格子模型的基础上,对耦合格点结构和动力学模型这两个方面进行了改进,在系统结构上采用一维链加二维网格再加上一维链的组合模型来构造驱动和响应系统及多级加密的方案.实验结果表明,系统在增强密钥序列复杂度的同时也提高了加密效率,使得系统的抗破译能力大大加强.     

一种新的基于时空混沌的单向Hash函数构造

对时空混沌中常用的耦合映像格子模型(coupled map lattice,CML)和已有的基于时空混沌的单向Hash函数构造进行了分析,在此基础上提出了一种新的基于时空混沌的单向Hash函数构造方法.首先根据Lyapunov指数谱确定CML中参数的取值,然后用线性变换后的消息来更改CML的状态,并通过迭代来扩散消息中每个字节对CML状态的影响,Hash值从最终的CML状态中抽取.研究结果表明,该方法具有很好的单向性、弱碰撞性、初值敏感性和灵活性以及更高的计算效率.     

悬浮于润滑油中的颗粒运动分析及其对油膜压力的影响

对含有固体颗粒的局部润滑流域建立格子Boltzmann(LBM)离散模型,分析固体颗粒在润滑油中的动力学特性;考虑颗粒形状的影响,推导计入单个固体颗粒运动的润滑方程,并分析得到油膜压力;将油膜流动特性与颗粒动力学计算相结合,分析不同形状的颗粒运动对于油膜压力的影响。分析发现,当颗粒进入润滑油后,经过很短的瞬时颗粒就会达到一个瞬态稳定的状态,无论颗粒在油膜厚度方向的初始位置位于两壁面之间的中线上侧还是下侧,颗粒都会向中线位置移动;当颗粒速度为0时对于油膜压力的影响较大,随着颗粒速度逐渐增大,颗粒对于油膜压力的影响逐渐减小;当颗粒的宽度在油膜厚度方向相同时,长宽比越大的颗粒对于油膜压力的影响也越大;当颗粒长轴相等时,颗粒在油膜厚度方向的宽度越大,则其对于油膜压力的影响也越大,即颗粒形状对于油膜流动的阻碍能力越强,则其对于油膜压力的影响越大。     

基于整数动态耦合帐篷映射的视频加密算法

针对高维混沌加密算法导致视频编码时耗过大的问题,引入整数动态耦合帐篷映射优化模型,提出一种有效的H.264/AVC视频加密算法,减少加密数据量,同时保证视频加密的安全性,兼顾视频的加密效率和加密安全。对加密算法的两级方案的加密效果进行了主客观评价和安全性分析。结果表明,加密方案的密钥空间大、伪随机序列生成效率高、抗攻击性强,同时压缩比和视频格式不变、加密时耗低,满足了视频加密中的实时性和安全性需求。     

基于MRT-LBM大涡模拟的桥梁气动参数数值仿真

为有效模拟桥梁结构的高雷诺数绕流及拓展格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method,LBM）在桥梁抗风中的应用,将动态Smagorinsky亚格子涡黏性模型嵌入到多松弛时间格式的LBM中。在LBM中,亚格子涡黏性通过网格滤波和检验滤波两次滤波求得,网格滤波以LBM的格子网格为滤波尺度由LBM的局部非平衡矩直接完成,检验滤波在更大尺度上采用有限差分求解。利用亚格子涡黏性修正LBM的运动黏性,构造了一种可以模拟钝体高雷诺数绕流的LBM大涡模拟方法—MRT-LBM-DSM。采用MRT-LBM-DSM结合LBM的移动边界技术对苏通大桥主梁断面的静力三分力系数和气动导数进行了仿真计算。数值模拟结果证明MRT-LBM-DSM可以准确预测湍流流动,可以用于桥梁主梁断面的高雷诺数绕流仿真和计算主梁断面的气动参数。     

混流式水轮机小开度下导水机构内湍流特性和叶道涡结构研究

为准确捕捉小开度流动的瞬态湍流特性,充分了解流场结构,采用滑移网格技术以及基于Vreman亚格子模型的全局动态大涡模拟方法,不仅得到混流式水轮机全流道内速度、压力以及涡量的分布,同时捕捉到了活动导叶周围独特的流动形式和叶道涡的时空演化。计算结果表明：当高转速、小开度工况时,流道内流体的圆周速度占有绝对优势,加强了导叶后尾迹涡的相互影响,致使流道中发生更为剧烈和复杂的漩涡、脱流等各种水力不稳定现象。从蜗壳到转轮室的压力脉动均以低频为主,主要的频率能量成分基本相同,说明小开度低频异常振动与压力波的传递有关。叶道涡是致使叶片疲劳破坏的主要因素。     

柔性丝线与下游圆柱相互作用的二维数值模拟研究

基于格子 Boltzmann 方法和沉浸边界法,首先对柔性丝线在均匀来流中的周期性摆动和圆柱绕流进行了二维数值模拟,并将模拟结果已有研究成果进行了对比分析。为提高计算效率和计算精度,采用了多块网格耦合算法,并在圆柱曲边界处采用了较为精确的边界处理方法。通过分析柔性丝线的升阻力系数和末端位移,研究了丝线与下游圆柱间距对丝线摆动和尾流特征的影响,并讨论了雷诺数和柔性丝线质量比对结果的影响。通过数值模拟结果得出：下游刚体的存在对柔性丝线有明显的减阻效果;在一定的参数范围内,由于粘滞作用和涡的相互作用,丝线末端的摆动幅值随间距增大相继出现了减小和变大的现象;雷诺数的增大可以增强丝线运动,而丝线质量比起到了不稳定作用。