[發明專利]一種基于GPU加速的污染物輸移高分辨率數值模擬方法

在審

• 申請號: 202011131148.0
• 申請日: 2020-10-21
• 公開（公告）號: CN112257313A
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發明（設計）人: 石寶山;侯精明;康永德;王俊琿;郭敏鵬;紀亞星;石佳;李鈺茜;高徐軍;張兆安;蘇鋒;王興樺;楊露;楊霄;白崗崗;楊少雄
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06T17/05;G06F111/10
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 韓玙

本發明公開了一種基于GPU加速的污染物輸移高分辨率數值模擬方法，讀取高分辨率單元網格組成的DEM地形文件，獲得被賦值的變量；讀取初始條件和邊界條件，采用有限體積法空間離散控制方程將變量從CPU換存到GPU上；劃分干濕計算區域，采用HLLC近似黎曼求解器在GPU上計算單元網格界面上的通量；在GPU上對控制方程源項進行計算；根據庫朗數計算迭代更新的時間步長；獲得所有單元網格的水力要素和濃度信息；將水力要素和濃度信息從GPU顯存拷貝至主機內存并輸出。解決了現有技術中存在的研究水體污染物遷移運動規律的數值模型運行效率和精度較差的問題。

技術領域

本發明屬于數值模擬加速技術領域，具體涉及一種基于GPU加速的污染物輸移高分辨率數值模擬方法。

背景技術

近年來，已在全球各地報道了許多嚴重的山洪暴發事件。例如，在2019年3月，印度尼西亞巴布亞省不同地區發生了嚴重的山洪暴發，大規模洪災奪去了63條生命。2012年7月，一場災難性的暴雨在中國北京造成79人死亡。由于山洪的兇猛和不可預測性，它對人類生命和財產構成了巨大威脅。洪水對城市的影響也極為深遠。在城市中，大型洪水可能會損壞污水處理廠或其他釋放污染物的設施，也可能對公共衛生和當地經濟造成巨大風險。因此，掌握污染物輸移過程對水利和環境工程具有重要的指導意義。

為了應對水體污染事件的不可預測性和劇烈性，研究者采用二維水動力學方程和輸移方程建立大量的數值模型來分析研究水體污染物遷移運動規律。但是，不同數值方法導致模型的計算精度存在差異，且模型運行耗時較長，甚至無法在計算機上運行；一旦發生大規模水體污染后，需要緊急決策并制定相應措施，對水體中污染物的輸移做出相應判斷，根本沒時間在計算機上運行模型。所以快速高效的預測突發水污染事件仍然是國內外學者研究的重點。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于GPU加速的污染物輸移高分辨率數值模擬方法，解決了現有技術中存在的研究水體污染物遷移運動規律的數值模型運行效率和精度較差的問題。

本發明所采用的技術方案是，一種基于GPU加速的污染物輸移高分辨率數值模擬方法，具體按照以下步驟實施：

步驟1，讀取高分辨率單元網格組成的DEM地形文件，獲得被賦值的變量；

步驟2，讀取初始條件和邊界條件，采用有限體積法空間離散控制方程將變量從CPU換存到GPU上；

步驟3，劃分干濕計算區域，采用HLLC近似黎曼求解器在GPU上計算單元網格界面上的通量；

步驟4，在GPU上對控制方程源項進行計算；

步驟5，根據庫朗數計算迭代更新的時間步長；

步驟6，重復步驟3～5，獲得所有單元網格的水力要素和濃度信息；

步驟7，將水力要素和濃度信息從GPU顯存拷貝至主機內存并輸出。

本發明的特點還在于：

有限體積法空間離散控制方程包括二維淺水方程和污染物輸移方程，其耦合守恒格式的矢量形式表示如下：

其中，