[發明專利]高效的明渠非恒定流數值模擬方法

有效

• 申請號: 201810427862.0
• 申請日: 2018-05-07
• 公開（公告）號: CN108804765B
• 公開（公告）日: 2020-09-22
• 發明（設計）人: 孟彎彎;程永光;吳家陽;楊志炎
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 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: 俞琳娟

1.一種高效的明渠非恒定流數值模擬方法，其特征在于，包括：

(1)采用特征線法計算明渠非恒定流

利用特征線法將偏微分方程組轉化為常微分方程組；

偏微分方程組：

常微分方程組：

沿c⁺方向

沿c^-方向

通過對D、M、E三個已知點的流量Q_D、Q_M、Q_E和水深h_D、h_M、h_E進行線性插值，由公式5和公式6得到中間點R、L的流量Q_R、Q_L和水深h_R、h_L；

斷面P的水深和流量值通過公式3至6求解，t+△t時刻的其他斷面亦如此求解；

以上公式中，下標P代表需要求解的計算斷面的值，下標D代表斷面P左邊相鄰計算斷面的上一時刻的值，下標M代表斷面P計算斷面的上一時刻的值，下標E代表斷面P右邊相鄰計算斷面的上一時刻的值；x為沿管線的長度，t為時間，h、Q分別為渠道水深和流量，B為水面寬度，A為過水斷面面積，α為渠道底面與水平方向夾角，c為水擊波速，△t為時間步長，△x為空間分段長度，g為重力加速度，n為粗糙度系數，R為水力半徑，B，c，f加“－”表示兩點的平均值；x_P，x_L，x_R分別為點P，L，R沿管線的長度；

(2)采用圖形處理單元GPU加速計算明渠非恒定流

(2-1)并行實現策略

主機端CPU負責邏輯運算，包括變量申明，賦值，設備與主機端CPU的數據傳遞、調用內核函數；

設備端GPU負責計算各斷面的水力參數計算和更新，內核函數調用完成后將處理好的流量fq[tx]和水頭fh[tx]數據傳回到主機端CPU內存中，作為下一時間步的輸入數據；

(2-2)GPU計算內核函數

內核函數都以線程柵格的形式組織，內核函數線程結構的組織形式為一維線性結構，與管道的線形結構相匹配；將管道劃分為若干個計算斷面，每個線程對應一個計算斷面，每個線程的索引號與一個計算斷面的編號相一一對應，各斷面的索引tx由線程所在塊和塊內位置唯一確定，內核函數按照上述公式3至6編寫；

(2-3)采用統一尋址方式，對壓力和流量數組進行內存分配；

(3)設置好邊界條件和程序所需模型參數；

(4)將初始水深和流量數據從主機端內存拷貝到設備顯存；

(5)調用內核函數進行并行計算，更新各斷面的水力參數；

(6)同步所有線程；

(7)將更新后的計算斷面的水位流量數據從設備端傳遞回主機端，作為下一時步的輸入數據；

(8)重復步驟(4)至(7)，直至達到計算終點。

2.根據權利要求1所述的高效的明渠非恒定流數值模擬方法，其特征在于：

其中，在(2)中，是以奇偶次數交替調用內核函數，并采用Synchronize()函數實現計算的同步。