[發(fā)明專利]浸沒式邊界高精度統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)流體仿真的GPU優(yōu)化方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010106728.8
• 申請(qǐng)日: 2020-02-19
• 公開（公告）號(hào): CN111353261A
• 公開（公告）日: 2020-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉曉培;范睿;陳懿欣;李偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/28
• 分類號(hào): G06F30/28
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 徐俊

1.一種浸沒式邊界高精度統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)流體仿真的GPU優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、在GPU平臺(tái)上進(jìn)行算法基本實(shí)現(xiàn)

根據(jù)浸沒式邊界-統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)方法算法，按步驟流程進(jìn)行GPU并行實(shí)現(xiàn)，其中，浸沒式邊界-統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)方法算法包括以下步驟：

步驟101、初始化

將微觀速度c離散成多個(gè)格子速度，c_i表示第i個(gè)格子速度，每個(gè)格子速度對(duì)應(yīng)一個(gè)速度分布函數(shù)，則第i個(gè)格子速度對(duì)應(yīng)格子離散速度分布方程f_i，在仿真之前，分配內(nèi)存來存儲(chǔ)格子離散速度分布方程f_i，以及密度ρ、速度u和外力g，對(duì)于向量場(chǎng)，被存儲(chǔ)為向量的線性陣列，表示為一個(gè)結(jié)構(gòu)體，所有這些結(jié)構(gòu)體數(shù)組都存儲(chǔ)在GPU全局內(nèi)存中；

步驟102、流處理

從時(shí)間t時(shí)刻開始，將流體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)作為并行對(duì)象，通過訪問GPU全局內(nèi)存將每個(gè)流體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)不同方向的格子離散速度分布方程f_i從附近對(duì)應(yīng)流體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)并行平流輸送到當(dāng)前流體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)；

步驟103、計(jì)算物理宏觀量

經(jīng)過流處理后，將流體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)作為并行對(duì)象，利用各流體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)流處理后的格子離散速度分布方程f_i計(jì)算得到該流體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的宏觀物理量——密度ρ和速度u：

ρ＝∑_if_i，

步驟104、剛體邊界處理

采用浸沒式邊界方法進(jìn)行剛體邊界條件處理，當(dāng)計(jì)算剛體采樣點(diǎn)的受力時(shí)，并行對(duì)象是這些剛體采樣點(diǎn)，每個(gè)線程分別訪問該剛體采樣點(diǎn)附近一定區(qū)域內(nèi)的流體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)；當(dāng)傳播力時(shí)，并行對(duì)象是剛體的包圍盒中的流體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，每個(gè)線程分別計(jì)算該流體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)所受反作用力，訪問該流體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)周圍一定區(qū)域內(nèi)的全部剛體采樣點(diǎn)；

步驟105、碰撞處理

經(jīng)過剛體邊界處理后，用流處理后的格子離散速度分布方程f_i計(jì)算得到的宏觀物理量密度ρ和速度u和剛體邊界處理計(jì)算得到合力項(xiàng)G_i進(jìn)行碰撞過程Ω_i計(jì)算；

步驟106、更新過程

根據(jù)計(jì)算得到的碰撞過程Ω_i來更新得到每個(gè)流體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)在時(shí)間t+1時(shí)刻的格子離散速度分布方程f_i，通過并行流體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)；

步驟107、區(qū)域邊界處理

采用回彈方法對(duì)區(qū)域邊界條件進(jìn)行處理

步驟2、在單GPU系統(tǒng)上，針對(duì)算法本身通過單GPU優(yōu)化技術(shù)，以顯著提高湍流及流固耦合仿真的性能，其中，該單GPU優(yōu)化技術(shù)包括：基于內(nèi)存訪問連續(xù)性原則的參數(shù)化內(nèi)存數(shù)據(jù)布局模型，以提高浸沒式邊界-統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)求解器的內(nèi)存訪問性能；使用浸沒式邊界方法來進(jìn)行剛體邊界條件處理，并且以剛體采樣點(diǎn)作為并行對(duì)象進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，在處理整個(gè)仿真區(qū)域的邊界時(shí)，采用回彈方法，以改善數(shù)據(jù)負(fù)載不平衡和判斷帶來的多支路發(fā)散；進(jìn)一步簡(jiǎn)化自適應(yīng)中心矩多弛豫時(shí)間模型，以減少每個(gè)線程的寄存器使用量，從而提高GPU占用率以提高運(yùn)算性能；

在多節(jié)點(diǎn)多GPU的大規(guī)模擴(kuò)展平臺(tái)系統(tǒng)上，首先將單GPU優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于多GPU系統(tǒng)，同時(shí)根據(jù)多GPU特征，進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)多GPU平臺(tái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。

2.如權(quán)利要求1所述的一種浸沒式邊界高精度統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)流體仿真的GPU優(yōu)化方法，其特征在于，步驟105中，進(jìn)行碰撞過程Ω_i計(jì)算所用的松弛模型基于自適應(yīng)中心矩多弛豫時(shí)間模型。

3.如權(quán)利要求1所述的一種浸沒式邊界高精度統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)流體仿真的GPU優(yōu)化方法，其特征在于，步驟2中，所述單GPU優(yōu)化技術(shù)進(jìn)一步包括優(yōu)化GPU線程分配：當(dāng)流體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)被并行化處理時(shí)，在GPU塊中分配三維線程組，其中線程組的x維度是線程束warp大小的倍數(shù)，y和z維度根據(jù)正在使用的GPU的類型進(jìn)行調(diào)節(jié)的，以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)GPU最佳并行性能；當(dāng)剛體采樣點(diǎn)被并行化時(shí)，使用一維線程組，進(jìn)而每個(gè)線程通過初始化時(shí)剛體采樣點(diǎn)存儲(chǔ)順序的索引分配訪問，通過合理分配各線程塊的線程數(shù)目，有效平衡資源利用，提升GPU運(yùn)行效率。