[发明专利]水力瞬变数值模拟方法

说明书

本发明提供一种水力瞬变数值模拟方法，能够有效地提高计算效率，其特征在于：主机端CPU负责逻辑运算；设备端GPU负责计算各断面的水力参数计算和更新；内核函数都以线程栅格的形式组织，组织形式为一维线性结构，每个线程对应一个计算断面，各断面的索引tx由线程所在块和块内位置唯一确定；边界函数由GPU或CPU计算；将内核函数运算结果先存储在寄存器中，循环结束后再将结果写入全局存储器中，最后复制回主机端；采用统一寻址方式，对压力和流量数组进行内存分配；当内核函数调用时，通过线程索引在数组中定位断面号，以获取相应断面压力、流量值进行计算，更新的水力参数值分别存储在已分配储存空间的另外两个数组中。

技术领域

本发明属于计算流体动力学领域，具体涉及一种水力瞬变数值模拟方法。

技术背景

瞬变过程是管道输送系统中经常发生的压力、流量波动现象，相关计算和分析对系统的设计、运行、管理有重要指导意义。目前常用的瞬变过程数值求解方法中，一维特征线法和显式有限差分法都受库朗条件限制，当时间步长和空间段满足一定关系时才稳定，时间步长很小时才能保证较高精度；而隐式有限差分法 (如Pressimann法)虽不受库朗条件限制而无条件稳定，但其迭代求解非线性方程组的过程很复杂，且有较大的数值耗散。而系统瞬变过程计算往往需要较高的精度和计算效率。首先，长距离输水(油、气)系统管线一般长达数百公里，城市供配水管网通常包含非常多且复杂的回路和支路，对它们进行瞬变模拟须划分很细空间段和时间步长，计算十分耗时。另外，在复杂管道系统设计优化中，需要进行大量方案与工况的对比计算，要求很高的计算效率。此外，一些管路系统要求实时监测并进行瞬变过程仿真模拟，以对系统操作提供支持，这种情况对计算的实时性有很高要求。因此，非常有必要针对效率问题开发一种新的水力瞬变模拟方法，能够在不以降低计算精度为代价的前提下，缩短计算时间，为实际工程提供可靠的指导建议。

目前，对提高瞬变过程计算效率的研究有不少，主要集中于两种途径，第一种是算法上采用更加高效的方法，第二种是在CPU上进行并行计算。Wood^[1-3]、Jung^[4]、Boulos^[5]等人通过将波特性法(WCM)应用于大规模配水管网瞬变流模拟，由于WCM可取比MOC更大的时间步长，且无需每步都计算管道中间网格上的值，在一定程度上提高了计算效率。Izquierdo^[6,7]编制通用水力元素边界处理子程序，将之在主程序中直接调用,避免过细的分段，减少计算资源占用，提高了数值模拟效率。Li^[8]使用并行遗传算法(PGA)进行伴随空化的水力过渡过程模拟，相比于串行遗传算法(GA)，计算效率能提升大约10倍。Fan^[9]建立了水力机械装置系统瞬变流并行计算的模型，实现了两台计算机对某大型水利水电工程全系统瞬变流的并行模拟，将计算效率提高了1.442倍。上述方法对计算效率的提高十分有限，远难满足现实需求。

图形处理器(Graphic Processing Unit,GPU)在硬件设计上采用了超长流水线和大规模线程并行，具有超强的浮点运算能力，最初用于处理大量图像数据。本世纪初科研工作者开始尝试用它来处理大规模科学计算问题，与同等价位CPU 相比，加速比达到数十倍以上。但初始图形处理器的使用非常困难，因为比如像 OpenGL和Direct3D技术需要直接针对芯片编程，程序员必须通过应用程序编程接口来访问其核心，这些应用程序编程接口限制了能够为芯片编写的应用程序的类型。所以只有小部分程序员掌握了利用图形处理器运行特定程序的必要技术，进而限制了该项技术的广泛传播。一切随着NVIDIA公司在2007年推出CUDA 技术而改变。因为规避了传统的应用程序编程接口，通过CUDA，现在程序员们能够用他们所熟悉的类C/C++语言来直接针对芯片编程，从而使得并行编程技术即便对于初学者来说也非常容易上手，大大地推进了这项技术在科学领域的应用。