GPU加速的SPH方法在溢洪道水流模拟中的应用

GPU 加速的 SPH 方法在溢洪道水流模拟中的应用打开文本图片集摘要：基于拉格朗日描述的光滑粒子动力学方法（SPH）擅长于处理自由面剧烈变化的水流现象，十分适合水利工程中泄洪等问题的数值模拟。然而，SPH 方法通常采纳均匀分布的粒子对流体计算域进行空间离散，对于工程问题而言需要的粒子数量较多、计算量大。为了突破 SPH 方法在实际大规模计算中的适用范围，采纳 C++和 CUDA 混合编程的技术，借助 GPU 实现了对 SPH 方法的并行加速。通过 WES 三圆弧段组成的光滑溢洪道过流问题，验证了 GPU 加速的 SPH 方法的计算精度和可靠性，计算效率相对原始的 SPH 仿真过程提高了 61.8 倍。最后，将 GPU 加速的 SPH 方法应用于水利工程的溢洪道泄流问题，分别模拟了光滑溢洪道和台阶式溢洪道流动特性，通过自由面的演化过程及泄流沿程截面上的速度分布状态，对比分析了台阶对泄流现象的影响。关键词：光滑粒子动力学方法;GPU 加速;台阶式溢洪道;消能率中图法分类号：TV512文献标志码：A1 讨论背景台阶式溢洪道是将传统光滑溢洪道的泄流槽做成台阶式，水流在流经台阶时与每级台阶均产生剧烈的碰撞，形成水流的旋滚及内部的紊动剪切作用，促使水流表面破裂，进而能显著增加溢洪道的泄流消能率，有助于减小下游消力池的规模[1-2]。所以，目前台阶式溢洪道在国内外许多工程上得以应用[3-5]。然而，水流与台阶之间的剧烈作用将对溢洪道的安全提出挑战，有必要对台阶式溢洪道的流动现象及机理进行系统讨论，以确保溢洪设施的安全。尽管世界各国水利工程技术人员对此流动问题开展了大量的试验讨论[6]，但受限于尺度效应、测量手段、经费等原因，难以猎取流动机理分析所必备的详细数据。相较之下，采纳数值模拟的手段对该泄流问题进行讨论能够得到丰富的可视化结果，故而深受讨论人员的青睐[7-8]。传统的 SPH 方法是通过粒子的运动来表示流动现象，为了精确模拟强非线性变化的自由面，需要采纳大量的粒子对流体空间进行离散，同时需要采纳较小的计算时间步长，故而对计算资源的消耗大，计算效率通常不高。近年来，GPU（GraphicsProcessingUnit，图形处理器）硬件的计算核心数和存储能力迅速提升，国外一些学者逐步采纳基于 GPU 加速的技术来提高 SPH 方法的计算效率。例如，Crespo 等[14]，Xia 和Liang[15]，Mokos 等[16]分别采纳 CUDA 语言编写程序调用 GPU 硬件环境实现对 SPH 方法的加速计算，这些讨论成果表明...