[發(fā)明專利]基于格子Boltzmann理論實(shí)現(xiàn)協(xié)同計(jì)算大渦模擬系統(tǒng)及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410053493.5
• 申請(qǐng)日: 2014-02-17
• 公開（公告）號(hào): CN103778098A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 盧曉偉;張清
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浪潮（北京）電子信息產(chǎn)業(yè)有限公司
• 主分類號(hào): G06F15/16
• 分類號(hào): G06F15/16;G06F9/46
• 代理公司: 北京安信方達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11262
• 代理人: 王丹;栗若木

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及基于格子Boltzmann理論的大渦模擬方法，尤其涉及基于格子Boltzmann理論使用CPU和MIC協(xié)同計(jì)算模式進(jìn)行大渦模擬的方法及系統(tǒng)。?

背景技術(shù)

格子Boltzmann方法（LBM，Lattice-BoltzmannMethod）從它誕生至今已有20年。在此期間，其在理論和應(yīng)用研究等方面都取得了迅速發(fā)展，并逐漸成為在相關(guān)領(lǐng)域研究的國(guó)際熱點(diǎn)之一，受到國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注。與傳統(tǒng)模擬方法不同，格子Boltzmann方法基于分子動(dòng)理論，具有清晰的物理背景。該方法是Boltzmann方程的一個(gè)特殊的離散格式。在宏觀上它是離散方法，微觀上是連續(xù)方法，因而被稱為介觀模擬方法。在許多傳統(tǒng)模擬方法難以勝任的領(lǐng)域，如微尺度流動(dòng)與換熱、多孔介質(zhì)、生物流體、磁流體、晶體生長(zhǎng)等，運(yùn)用格子Boltzmann方法都可以對(duì)對(duì)象進(jìn)行有效的模擬，因此它被用于多種復(fù)雜現(xiàn)象的機(jī)理研究，推動(dòng)了相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。可以說，格子Boltzmann方法不僅僅是一種數(shù)值模擬方法，而且是一項(xiàng)重要的科學(xué)研究手段。此外，格子Boltzmann方法還具有天生的并行特性，以及邊界條件處理簡(jiǎn)單、程序易于實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)。可以預(yù)計(jì)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以及計(jì)算方法的逐漸豐富，格子Boltzmann方法將會(huì)取得更多成果，并為科技發(fā)展發(fā)揮更重要的作用。作為一門多學(xué)科的交叉產(chǎn)物，格子Boltzmann方法涉及統(tǒng)計(jì)力學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱學(xué)以及計(jì)算數(shù)學(xué)等諸多學(xué)科。?

新的Intel?Xeon?Phi?協(xié)處理器（MIC?Many?Integrated?Core）構(gòu)建在至強(qiáng)處理器的并行編程原則之上，基于X86架構(gòu)，通過集成諸多（至少50個(gè)）低功耗處理器內(nèi)核，每一個(gè)處理器內(nèi)核具備一個(gè)512位的單指令多數(shù)據(jù)流（SIMD，Single-Instruction?Multiple-Data?stream）處理單元和很多新的向量?運(yùn)算指令。Intel?Xeon?Phi?處理器優(yōu)化了每瓦性能。超過每秒一萬億次的計(jì)算能力，Intel?Xeon?Phi?創(chuàng)造了實(shí)現(xiàn)在一個(gè)芯片上的超級(jí)計(jì)算機(jī)之奇跡。這個(gè)嶄新的微架構(gòu)具備突破性的每瓦性能，但也依賴于那些能夠充分并行擴(kuò)展到諸多內(nèi)核、線程和向量的應(yīng)用程序。英特爾采取了一種嶄新的方法來幫助釋放這種并行能力。英特爾盡最大可能沿用了人們易于理解的標(biāo)準(zhǔn)編程語言（包括C，C++和Fortran）以及現(xiàn)存的并行編程標(biāo)準(zhǔn)。程序員不再被迫采用非標(biāo)準(zhǔn)的或是硬件依賴的編程模式；而且，這種基于標(biāo)準(zhǔn)的方法保證了最大的代碼重用，通過編寫可移植、標(biāo)準(zhǔn)化以及面向當(dāng)前和未來的兼容并行代碼將會(huì)獲得最大的回報(bào)。?

MIC擁有極其靈活的編程方式。MIC可以作為一個(gè)協(xié)處理器存在，也可以被看作是一個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)。基本的MIC編程模型是將MIC看作一個(gè)協(xié)處理器，CPU根據(jù)程序的指令，將一部分代碼運(yùn)行在MIC端。此時(shí)存在兩類設(shè)備，即CPU端和MIC多核協(xié)處理器端。?

大渦模擬（LES，Large?Eddy?Simulation），是近幾十年才發(fā)展起來的一個(gè)流體力學(xué)中重要的數(shù)值模擬研究方法。它區(qū)別于直接數(shù)值模擬（DNS，Direct?numerical?simulation）和雷諾平均（RANS，Reynolds-AveragedNavier-Stokes）方法。其基本思想是對(duì)大渦進(jìn)行計(jì)算，對(duì)小渦進(jìn)行模擬。通過濾波函數(shù)將湍流的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)信號(hào)分解成大尺度渦運(yùn)動(dòng)和小尺度渦運(yùn)動(dòng)兩部分；其中的大尺度渦擁有較大比例的湍流動(dòng)能，對(duì)雷諾應(yīng)力產(chǎn)生及湍流擴(kuò)散起主要作用，且大渦的運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)依賴于邊界條件，即依賴于個(gè)別的流動(dòng)情況，不存在通用模型，須通過控制方程直接進(jìn)行數(shù)值求解；而小尺度渦主要起耗散作用，在高雷諾數(shù)下小渦運(yùn)動(dòng)趨向各向同性，受邊界條件影響較小，故使用通用模型進(jìn)行模擬。通過精確求解某個(gè)尺度以上所有湍流尺度的運(yùn)動(dòng)，從而能夠捕捉到RANS方法所無能為力的許多非穩(wěn)態(tài)、非平衡過程中出現(xiàn)的大尺度效應(yīng)和擬序結(jié)構(gòu)，同時(shí)又克服了直接數(shù)值模擬需要求解所有湍流尺度而帶來的巨大計(jì)算開銷的問題，因而被認(rèn)為是最具有潛力的湍流數(shù)值模擬發(fā)展方向。由于其計(jì)算耗費(fèi)依然很大，目前大渦模擬還無法在工程上廣泛應(yīng)用。但是大渦模擬技術(shù)對(duì)于研究許多流動(dòng)機(jī)理問題提供了更為可靠的手段，可為流動(dòng)控制提供理論基礎(chǔ)，并可為工程上廣泛應(yīng)用的RANS方法改進(jìn)?提供指導(dǎo)。?

格子Boltzmann方法（LBM）是計(jì)算流體力學(xué)領(lǐng)域內(nèi)一種不同于傳統(tǒng)數(shù)值方法的建模和計(jì)算方法，是對(duì)Boltzmann方程的一種特殊的離散格式的求解。求解過程是時(shí)間推進(jìn)式的，并且求解過程具有良好的區(qū)域性，所以特別適合并行求解。?

一般對(duì)格子Boltzmann方程求解，可以分解為兩部分：?