基于GPU并行计算的风沙流SPH数值分析

在研究风沙流动方面,光滑粒子流体动力学方法(SPH)的无网格性有着独有的优势。利用SPH方法研究风沙流动时,需要将整个计算区域离散成数量庞大的单个粒子,因此计算规模大、计算效率低。为提高SPH方法的计算效率,采用支持并行计算的CUDA平台,利用GPU大规模并行计算技术,实现SPH方法数值模拟时的加速运算。以二维气沙两相耦合模型作为数值算例,利用GPU并行计算详细分析颗粒群的运动规律。比较在不同粒子数下CPU与GPU的计算效率以及GPU线程数对计算效率的影响。对所得结果进行统计分析后,得到了单颗沙粒的典型抛物线形和变异的跃移轨迹。模拟结果证明:SPH-GPU并行计算技术能够应用在风沙流结构的数值模拟研究中。     

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。     

风沙流结构的SPH模拟研究

风沙流结构是研究风沙流运动的重要内容,沙粒的起跳速度的分布对其有重要影响.这里使用光滑粒子流体动力学方法(Smooth Particle Hydrodynamics,简称SPH方法),建立了气体和沙粒的受力模型、沙粒之间的碰撞模型以及两相之间的耦合机制,分别模拟了两种粒径的沙粒在单一粒径沙粒条件下,在分布均匀的沙床面上...