[發明專利]一種經GPU加速的浸沒邊界?格子玻爾茲曼流固耦合模擬方法

有效

• 申請號: 201510355061.4
• 申請日: 2015-06-24
• 公開（公告）號: CN104866695B
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發明（設計）人: 吳家陽;程永光;張春澤;刁偉
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙)42222
• 代理人: 程欣

技術領域

本發明屬于計算流體動力學和計算固體力學的交叉領域，特別涉及高性能計算在上述領域的應用。

背景技術

流體和可變形的結構之間的相互作用在自然界普遍存在，特別在生物組織和器官中更是隨處可見，典型的例子包括昆蟲翅膀、魚鰭、人類心臟瓣膜和聲帶。雖然上述結構屬于解刨學或生理學領域的研究對象，但是他們在三維空間的運動學特征和隨時變化的空間形狀對生物體完成指定的功能至關重要。因為結構所經歷的劇烈變形和周圍流場的內在復雜性，所以迄今為止正確模擬三維條件下的流固耦合問題仍然是學術界的一大挑戰之一。

傳統的用來模擬流固耦合問題的方法通常基于適體網格，典型的例子包括任意拉格朗日—歐拉法和有限元法。上述方法的劣勢在于底層流體網格需要根據結構位置來進行調整，而且為了防止網格的劇烈變形需要進行特殊處理。總的來說網格生成是代價高昂的過程，特別是當結構形狀復雜時為了更新網格拓撲結構需要大量耗時的計算，使得將傳統方法推向實際應用存在困難。

因此，非常有必要針對效率問題開發一種新的流固耦合模擬方法，能夠在不以降低計算精度為代價的前提下，縮短計算時間，為實際工程提供可靠的指導建議。

浸沒邊界法作為一種專門模擬流固耦合問題的數值算法自提出以來已經得到了廣泛和成功的應用。在此法中，流體和結構體分別采用歐拉法和拉格朗日法描述，且分別用來離散流體和結構體的正交笛卡爾網格和非結構化網格沒有必要重合在一起，而這正是浸沒邊界法相比于傳統方法的一大優勢，解決了每一時間步都需要根據結構體位置和形態重新構造網格的難點。流體和結構體的相互作用是通過狄拉克函數實現的，利用此函數能夠將定義在結構體網格節點上的作用力擴散至周邊流體網格點，并且也能夠將流體速度插值到結構體網格點上，從而更新結構體的位置。除了上述步驟外，無需額外的附加處理即可非常簡潔地完成流固耦合的模擬。

在浸沒邊界法中，最基本的一點在于如何求解粘性不可壓縮NS方程。該方程的求解方法非常豐富，比如說快速傅里葉變換、投影方法或者是有限體積法。此外新近發展起來的非常受歡迎的格子玻爾茲曼方法也是很好的選擇。與傳統方法求解的NS方法不一樣，采用介觀視角的格子玻爾茲曼方法求解的是分布函數所滿足的玻爾茲曼方程。在過去的十年間，格子玻爾茲曼方法已經被確認為一種非常強大的計算流體動力學工具，并且在其分支領域都已得到了成功應用。和傳統方法比起來，格子玻爾茲曼方法的易于并行以及額外物理效應的方便引入等優點得到越來越多學者的關注。

自從2003年以來，半導體工業的微處理器設計開始朝兩個主要方向發展。首先多核路徑依靠強化串行代碼的執行效率和多核技術提高性能。多核開始于兩核模型，并且隨著每一次更新換代核的數量加倍，比如Intel的Core i7處理器有四核。與此相反，眾核路徑則將關注的重點放在了提高并行代碼執行的吞吐量上面，和中央處理器比較，眾核處理器將包含數量更多但是小得多的核心，比如NVIDIA公司的Geforce GTX280圖形處理器包含240個核。作為比較，2009年圖形處理器和中央處理器的峰值運算性能的比值是10:1，2014年NVIDIA公司的Geforce 780Ti所提供的峰值吞吐量為5500GFLOPS，而Intel公司的Ivy Bridge架構的數據為700GFLOPS。如此大的運算性能差距已經讓越來越多的科研人員將它們程序中的計算密集部分轉移到圖形處理單元來執行。

因為比如像OpenGL和Direct3D技術需要直接針對芯片編程，而直到2006年程序員必須通過應用程序編程接口來訪問其核心，所以圖形處理器的使用非常困難。這些應用程序編程接口限制了能夠為芯片編寫的應用程序的類型，所以只有小部分程序員掌握了利用圖形處理器運行特定程序的必要技術，進而限制了該項技術的廣泛傳播。一切隨著NVIDIA公司在2007年推出CUDA技術而改變。因為規避了傳統的應用程序編程接口，通過CUDA，現在程序員們能夠用他們所熟悉的類C/C++語言來直接針對芯片編程，從而使得并行編程技術即便對于初學者來說也非常容易上手，大大地推進了這項技術在科學領域的應用。

因為格子玻爾茲曼方法是定義在正交網格上的顯格式，并且只需要交換相鄰節點的信息，所以它非常適合于在圖形處理器上并行化。發展至今，發表的關于格子玻爾茲曼方法并行化的文章已非常豐富，并且相比于中央處理器，運行速度一般能提高兩個數量級。雖然格子玻爾茲曼方法的并行化已經日臻完善，但是將其與浸沒邊界法結合起來模擬流固耦合問題的研究仍然沒有起步，更沒有全面透徹的分析浸沒邊界法潛在數據并行性的文章發表。

發明內容