基于OpenCL多相场模型并行化研究

发布时间：2020-07-03 23:48

【摘要】：相场法通过将相场与温度场、溶质场、流场以及其它外部场相耦合,可有效的将微观与宏观尺度相结合,已成为数值模拟晶体生长过程最有效的方法之一。随着相场法的应用越来越深入,所建立的相场模型越来越复杂,计算规模越来越大,计算精度要求越来越高,计算时间却要求越来越短,传统相场求解方法已成为相场法发展的瓶颈之一。高性能计算方法不但可以有效的提升计算效率,扩大计算规模,而且可以利用众多线程的计算隐藏访存延迟,因而成为提升程序性能的一种有效措施,是近年来求解相场模型领域的一个研究热点。随着计算能力的不断提高和可编程性的不断增强,GPU的发展相当迅速,在融合CPU和GPU构成的异构计算系统上使用GPU实现应用程序加速已经成为提高程序性能的主要模式。在GPU编程模型中应用最广泛的是CUDA和OpenCL,但是CUDA编程模型只能应用于特定的NVIDIA平台,无法实现并行算法跨平台处理。OpenCL不仅得到了众多硬件厂商的支持,而且可以很好的控制硬件合理的分配任务,使各个处理器都能发挥出其最大性能。因此,本文针对多场耦合多相场模型求解过程中面临的计算量大、计算区域受限以及计算效率低等问题,重点讨论了采用OpenCL+GPU软硬件体系结构,通过多进程和多线程的并发执行实现较大规模上的三维共晶多相场模型的求解。主要开展工作如下:(1)将纯扩散共晶生长多相场模型KKSM与计算动量、质量和能量传输的格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method)相结合,建立了强迫流动状态下共晶生长的PF-LBM相场模型。(2)针对传统求解多场耦合多相场模型中存在的问题,分析制约串行算法计算效率的关键步骤,并对这些关键步骤的可并行性进行分析,探索一种基于OpenCL+GPU的高性能并行计算方法,实现对耦合流动场等多场耦合的三维共晶多相场模型的并行求解。(3)将采用并行计算与同条件下传统求解方法模拟的结果对比分析,验证并行算法的可靠性及其加速性能,通过优化算法使其达到最佳性能,并不断改进模型。与串行算法相比优化后的并行算法在不同异构平台上分别达到了24.3倍和21.6倍的加速比;同时,基于OpenCL+GPU并行算法以其强大的浮点计算能力获取了较为准确的模拟结果,达到计算效率和可移植性的双重需求,解决了传统求解相场模型存在的计算量大、效率低、限于定性研究等问题。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP338.6
【图文】：

采用传统的相场模型难以胜任模拟共晶组织凝固的演准确的体现整个共晶组织凝固过程，基于多元合金多相系oltzmann 方法，耦合温度场、溶质场、流动场等外场，建合的三维 PF-LBM 多相场模型。固原理以其特有的机械性能，被广泛应用在各个工业领域。共晶决于其微观组织，不同的共晶合金其微观组织的形态也是们的组成成分、层片之间的间距、层片的厚度、过冷度的的。共晶合金相图由如图 2.1 所示的 相、 相和 L相三相为固相，L 相为液相。当共晶合金处于液体状态时，组成完全互溶的。在平衡状态下，共晶结晶取决于平衡温度下如图所示的阴影区域时，使得熔体内两相组元过于饱和，驱动力，两相倾向于同时析出，析出的两相组元可以部分。

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本文编号：2740339