GPU-CPU混合架构下燃烧室辐射换热求解器的设计与实现

发布时间：2017-09-03 23:35

  本文关键词：GPU-CPU混合架构下燃烧室辐射换热求解器的设计与实现

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【摘要】：燃烧室是航空发动机的重要组成部分之一。随着现代计算机技术的快速发展和科学计算数值模拟方法的进步,计算流体力学(CFD)在发动机燃烧室的数值计算方面逐渐扮演着越来越重要的角色。一直以来,燃烧室的设计采用的是实验研究和经验分析相结合的方法,这样需要耗费的时间周期长,而且实验研究的费用非常高。因此,目前采用CFD手段利用数值模拟已经成为发动机设计的一种快速、经济的手段。锅炉中的高温气体能量转移,火箭推进器的工作过程中,内燃机和各种高压高温燃烧室中都存在着高温气体的能量转换过程。随着科技的进步,科学家越来越注意到辐射换热相关问题对发动机设计的重要性,因此对高温气体的辐射特性进行研究具有重要的现实意义。本文针对燃烧室辐射换热进行研究,基于对开源流体力学计算软件OpenFOAM的学习,采用蒙特卡洛的射线追踪方法,设计出一套适用于高温气体辐射换热高速并行计算的数值计算方法。首先,本文基于辐射传热射线追踪理论编写出串行求解程序,该程序实现了辐射传热模拟的基础功能。然后,本文通过该串行求解程序,分析辐射射线传输过程中的收敛速度,针对不同工况下的收敛速度,结合GPU/CPU混合平台的硬件架构的特点,采用NVIDIA的CUDA并行计算统一编程架构,通过使用非阻塞式的MPI协议实现“胖计算节点、瘦计算节点”的主从式结构建立起动态的负载平衡模型。通过测试,并行程序实现了10倍以上的计算速度提升。在实验室的六台高性能工作站(其中5台配备了Tesla K20c加速卡)的基础上,本文基于Linux系统平台,采用PXE+NFS的方式,对计算集群的文件系统进行了统一的配置,该配置方式极大的简化了集群的配置。最后,将编写的计算程序在计算集群上进行验证,对不同规模的辐射换热问题计算进行测试,通过实际的验证表明,辐射换热求解程序可移植性良好,能够解决特定辐射换热求解问题,计算速度能够满足预期的设计要求。计算集群配置简便、伸缩自由,能够满足使用需求。
【关键词】：辐射换热 蒙特卡洛 求解器 CUDA
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V233
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-15
• 1.1 课题研究背景以及意义8-9
• 1.2 国内外研究现状9-13
• 1.3 论文结构安排13-14
• 1.4 本文的主要工作14-15
• 2 辐射传热模型相关研究15-28
• 2.1 辐射换热数值模拟模型15-20
• 2.1.1 辐射传输方程15-17
• 2.1.2 辐射换热蒙特卡洛方法17-20
• 2.2 CUDA编程架构20-27
• 2.2.1 GPU与CUDA20-23
• 2.2.2 CUDA硬件连接23-24
• 2.2.3 CUDA编程模型24-25
• 2.2.4 CUDA存储器模型25-27
• 2.3 消息传递接口（MPI）27-28
• 3 辐射换热模拟程序技术路线及总体设计28-35
• 3.1 开发平台28-29
• 3.2 技术路线29-32
• 3.2.1 能束传输30-31
• 3.2.2 热辐射蒙特卡罗算法31
• 3.2.3 GPU/CPU架构下的任务分配负载平衡31-32
• 3.2.4 GPU/CPU异构计算集群的构建及管理32
• 3.3 技术指标32
• 3.4 总体设计32-34
• 3.5 小结34-35
• 4 辐射换热数值模拟的实现35-60
• 4.1 开发环境35
• 4.2 网格文件及输入文件格式35-36
• 4.3 单能束射线的追踪36-44
• 4.3.1 射线追踪算法37-41
• 4.3.2 射线到达计算边界的处理41-43
• 4.3.3 SNBCK模型43-44
• 4.4 GPU上的随机数发生器44-45
• 4.5 能束在GPU/CPU异构下的动态负载平衡模式45-50
• 4.5.1 任务分配策略46
• 4.5.2 GPU程序优化策略46-50
• 4.6 计算集群的软件部署50-59
• 4.6.1 I/O节点的配置52-54
• 4.6.2 网络节点配置54-55
• 4.6.3 计算（管理）节点的系统模版55-59
• 4.6.4 配置新计算节点59
• 4.7 小结59-60
• 5 测试60-67
• 5.1 圆柱炉膛壁辐射换热特性模拟60-61
• 5.2 分支优化和访存优化对比测试61-62
• 5.3 并行加速测速62-63
• 5.4 GPU/CPU混合加速测试63-65
• 5.4.1 单GPU加速效果63-64
• 5.4.2 GPU/CPU混合计算加速效果64-65
• 5.5 PBS排队系统测试65-66
• 5.6 小结66-67
• 6 总结与展望67-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-74
• 附录A 开发环境及程序结构74-75
• 网格的数据结构74-75
• CK模型的数据结构75

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