[發(fā)明專利]基于鏈接方向人工壓縮的快速湍流數(shù)值模擬方法和裝置

有效

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• 申請日: 2020-12-28
• 公開（公告）號: CN112287622B
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發(fā)明（設計）人: 楊燦群;郭曉威;番絲江;李超;吳誠堃;范小康;劉毅;趙然;張森
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F111/10;G06F113/08;G06F113/14;G06F119/14
• 代理公司: 長沙國科天河知識產(chǎn)權代理有限公司 43225
• 代理人: 邱軼

本申請涉及一種基于鏈接方向人工壓縮的快速湍流數(shù)值模擬方法、裝置、計算機設備和存儲介質。所述方法包括：通過合成渦算法得到生成的渦的尺寸信息、數(shù)量信息和位置信息，根據(jù)尺寸信息、數(shù)量信息和位置信息得到管道輸入端的波動速度，根據(jù)波動速度，通過合成湍流輸入生成算法得到形成湍流所需要的外力項，將外力項加入到鏈接方向人工壓縮方程的分布函數(shù)中，得到在管道流中加入湍流所需要增加的外力項函數(shù)，設置管道流分布函數(shù)的邊界條件，在GPU中對分布函數(shù)進行迭代計算，得到網(wǎng)格模型中流體的密度和速度。采用本方法可以大大減少湍流數(shù)值模擬計算對全局內存的占用，提高湍流模擬在GPU上運行的效率。

技術領域

本申請涉及計算流體力學技術領域，特別是涉及一種基于鏈接方向人工壓縮的快速湍流數(shù)值模擬方法、裝置、計算機設備和存儲介質。

背景技術

計算流體力學已經(jīng)廣泛運用在不論是工業(yè)界還是學術界的各個領域中。從航空航天領域到船舶制造業(yè)，從醫(yī)學血流模擬到電影制造業(yè)，甚至芯片制造工藝等等方面，計算流體力學都發(fā)揮著至關重要的作用。計算流體力學不僅可以大幅降低物理實驗的花銷成本，也可以給實驗的方向提供有力的證據(jù)，大大提高了實驗的效率。而湍流作為流體最為重要的一種流體形式，在計算流體力學的絕大部分領域是不可被避免的。

近幾年來，由于格子玻爾茲曼方法具有非常良好的局部性和天然的并行性，受到大家的青睞。而原本作為圖像處理的協(xié)處理器GPU，由于其具有數(shù)量龐大的并行處理單元，已經(jīng)越來越多地被運用到大規(guī)模科學與工程計算中。大量工作開始將格子玻爾茲曼方法在GPU上進行加速，并得到了非常好的效果，大大加快了模擬的速度。也有很多工作采用了多GPU的方式來增加提高模擬規(guī)模。

然而，隨著求解問題的規(guī)模逐漸增大，格子玻爾茲曼方法也出現(xiàn)了瓶頸。格子玻爾茲曼方法一般分為兩部分：碰撞步和遷移步。碰撞步在本地發(fā)生，而遷移步需要周圍各自的密度分布函數(shù)。因此格子玻爾茲曼方法在每一個迭代步中每一個格子都需要保存密度分布函數(shù)，這將會占據(jù)非常大的內存。

湍流模擬占據(jù)著計算流體力學領域的重要一部分，現(xiàn)有的湍流模擬方法隨著計算流體力學模擬規(guī)模的逐漸增大，存在計算速度慢、占用內存大的問題。

發(fā)明內容

基于此，有必要針對上述技術問題，提供一種能夠提高湍流模擬計算速度、減少內存占用的基于鏈接方向人工壓縮的快速湍流數(shù)值模擬方法、裝置、計算機設備和存儲介質。

一種基于鏈接方向人工壓縮的快速湍流數(shù)值模擬方法，所述方法包括：

構建流體模擬的網(wǎng)格模型，獲取初始化輸入信息，根據(jù)初始化輸入信息中包含的網(wǎng)格模型的坐標信息，得到鏈接方向人工壓縮方程的管道流分布函數(shù)；

通過合成渦算法得到生成的渦的尺寸信息、數(shù)量信息和位置信息，根據(jù)所述尺寸信息、所述數(shù)量信息和所述位置信息得到管道輸入端的波動速度；

根據(jù)所述波動速度，通過合成湍流輸入生成算法得到形成湍流所需要的外力項；

通過將所述外力項加入到所述鏈接方向人工壓縮方程的管道流分布函數(shù)中，得到在管道流中加入湍流所需要增加的外力項函數(shù)；

設置所述管道流分布函數(shù)的邊界條件，根據(jù)所述邊界條件和所述外力項函數(shù)，在GPU中對分布函數(shù)進行迭代計算，得到所述網(wǎng)格模型中流體的密度和速度。

在其中一個實施例中，還包括：根據(jù)所述波動速度，通過合成湍流輸入生成算法得到形成湍流所需要的外力項為：

其中，表示所述外力項，i表示所述外力項在管道流中形成的作用區(qū)域內的任一點，表示所述作用區(qū)域中i點與所述作用區(qū)域中心線的距離，表示積分長度規(guī)，表示所述波動速度。

在其中一個實施例中，還包括：所述網(wǎng)格模型為D3Q19模型；通過將所述外力項加入到鏈接方向人工壓縮方程的管道流分布函數(shù)中，得到在管道流中加入湍流所需要增加的外力項函數(shù)為：