基于GPU加速的Boussinesq型波浪传播变形数值模型

发布时间：2021-08-08 07:14

　　波浪的数值模拟在海岸工程的设计中一直占有重要地位。作为一种非线性波浪模型,Boussinesq类模型能有效重现波浪在传播过程中的传播变形及物理现象,因此在近海工程中得到了广泛使用。Boussinesq类波浪模型是一种相位解析模型,在时域内求解需要较高的空间和时间分辨率以保证计算精度,相对的计算所需的时间也较长。为提高计算效率,有必要针对该类模型开展并行算法的研究。与传统的中央处理器（CPU）相比,图形处理器（GPU）有大量的运算器,可显著提高计算效率。基于并行架构CUDA,利用图形处理器开发并行程序得以实现。采用GPU并行算法构建波浪数值模型已成为高性能计算领域内一种新的发展方向。本文基于统一计算设备架构CUDA C语言和图形处理器,实现了Boussinesq模型的并行运算。模拟了孤立波在常水深水槽中的传播等一系列经典的算例,并将本模型的计算结果同CPU数值模拟结果和解析解相比较,发现所得到的结果基本一致,从而证明了本文模型数值格式的正确性。本文选用带有渗透构筑物的算例进行数值模拟,结果与他人的计算结果及试验数据的吻合程度高,表明本模型能够有效处理波浪与渗透构筑物之间的相互作用。通过计... 

【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：71 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 Boussinesq类波浪数值模型研究现状
        1.2.2 GPU并行计算在近岸波浪数值模型中的研究现状
    1.3 本文的工作
2 数值模型介绍
    2.1 适用于渗透介质的Boussinesq方程的推导
        2.1.1 控制方程与边界条件
        2.1.2 方程的扩展
    2.2 数值计算方法介绍
        2.2.1 控制方程的守恒格式
        2.2.2 方程离散
        2.2.3 数值通量的计算格式
        2.2.4 时间积分和速度求解
        2.2.5 边界条件处理
        2.2.6 波浪破碎处理
    2.3 模型的GPU并行化
        2.3.1 GPU与并行计算简介
        2.3.2 模型流程简介
        2.3.3 变量求解方法的改进
    2.4 本章小结
3 数值模型的验证
    3.1 孤立波在常水深水槽中的传播
    3.2 规则波在梯形潜堤地形上的传播
    3.3 波浪在椭圆形浅滩上的传播
    3.4 封闭方形水池中的水面晃动
    3.5 圆形浅滩上的波浪传播
    3.6 孤立波沿均匀斜坡海岸的爬坡
    3.7 孤立波在礁坪地形上的传播和演化
    3.8 含渗透构筑物问题的数值验证
        3.8.1 孤立波在一维直立式多孔防波堤中的传播
        3.8.2 孤立波在二维直立式多孔防波堤中的传播
    3.9 本章小结
4 基于GPU的 Boussinesq数值模型并行算法的应用
    4.1 模型加速性能分析
        4.1.1 计算设备与计算平台介绍
        4.1.2 单个线程块上线程数的确定
        4.1.3 CPU模型与GPU模型计算效率的比较分析
        4.1.4 改进变量求解方法后计算效率的分析
    4.2 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢



本文编号：3329489