基于CPU+GPU异构计算的天然气管网瞬态仿真方法及其应用研究
发布时间：2022-10-22 20:40
近年来,随着天然气在我国能源结构中的比重日益增加,天然气管道建设工作如火如荼,与此同时,各地区天然气管网并网运行的趋势也愈发明显,可以预见,我国独立的天然气管网规模将会在未来数年内显著增大。因此,作为管网工艺设计、运行分析的重要手段,天然气管网仿真技术将在未来管网建设运营中扮演更加重要的角色。目前常用的天然气管网仿真软件在面向大型复杂管网时其计算效率仍有欠缺,本文基于近年来在高性能计算领域异军突起的GPU异构计算技术,设计了适用于该异构平台的并行仿真算法,开发了天然气管网仿真的GPU程序,在保证计算精度的前提下,相比于商业软件SPS取得了高达57.57倍的加速比。在这个过程中,我们首先根据天然气管网拓扑结构和方程组的特点,发展了DIMENS（Decoupled Implicit Method for Efficient Network Simulation）算法,该方法将管网各元件的计算解耦,实现了粗粒度层级的并行化,与此同时为进一步提高并行效率,在细粒度层级即元件内部计算时也引入了相应的并行策略,构成了两层级并行仿真方法,该方法任务划分策略简单易行,充分挖掘了原问题的并行性。接下来,...
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 管网仿真模型
1.2.2 并行数值算法
1.2.3 CPU+GPU异构计算
1.3 研究内容
第2章 天然气管网仿真并行算法设计
2.1 引言
2.2 天然气管网仿真数理模型
2.2.1 天然气管网物理模型
2.2.2 天然气管网数学模型
2.2.3 天然气管网数学模型的线性化及其离散
2.2.4 天然气管网仿真离散方程组的形式
2.3 天然气管网仿真的DIMENS方法
2.3.1“分而治之”思想
2.3.2 管道元件解耦
2.3.3 DIMENS方法求解流程
2.4 线性方程组并行求解分析
2.4.1 管道预求解矩阵并行求解
2.4.2 管网连接点矩阵并行求解
2.5 本章小结
第3章 CPU+GPU异构平台上的仿真算法实施
3.1 引言
3.2 GPU和CUDA简介
3.2.1 GPU通用计算
3.2.2 CUDA编程模型
3.3 异构平台上的算法实施
3.3.1 算法实施流程概述
3.3.2 管道的预求解
3.3.3 管网连接点的预求解
3.3.4 管道的回代求解
3.4 GPU程序性能优化
3.4.1 访存优化
3.4.2 传输优化
3.4.3 流并行
3.5 本章小节
第4章 CPU+GPU异构平台上的仿真算法应用
4.1 引言
4.2 计算条件
4.2.1 硬件设备
4.2.2 软件环境
4.3 GPU加速线性方程组求解效果分析
4.3.1 管道预求解部分加速效果分析
4.3.2 管网连接点方程组求解加速效果分析
4.4 某实际天然气管网运行分析
4.4.1 管网概况
4.4.2 程序准确性及健壮性验证
4.4.3 性能表现
4.5 大型天然气管网下的加速效果分析
4.5.1 数值算例概况
4.5.2 性能表现
4.5.3 性能瓶颈分析
4.6 本章小结
第5章 结论与建议
5.1 结论
5.2 对今后研究工作的建议
参考文献
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]2015年中国油气管道建设新进展[J]. 高鹏,王培鸿,杨耀辉,王海英,陆争光. 国际石油经济. 2016(03)
[2]地层蓄热效应对输气管道数值模拟精度的影响[J]. 丁延鹏,李玉星,郝宏娜,毕研军. 中国石油大学学报(自然科学版). 2011(03)
[3]2010年我国油气管道新进展[J]. 蒲明,马建国. 国际石油经济. 2011(03)
[4]基于CPU+GPU异构计算的编程方法研究[J]. 冯颖,袁庆华,沈健炜. 通信技术. 2011(02)
[5]高性能计算的发展现状及趋势[J]. 张军华,臧胜涛,单联瑜,石林光. 石油地球物理勘探. 2010(06)
[6]基于GPU的并行优化技术[J]. 左颢睿,张启衡,徐勇,赵汝进. 计算机应用研究. 2009(11)
[7]天然气管网稳态和瞬态仿真的边界条件[J]. 左丽丽,吴长春,田劲松. 天然气工业. 2008(10)
[8]燃气管网动态仿真的研究及应用[J]. 杨昭,张甫仁,朱强. 天然气工业. 2006(04)
[9]气体管网的动态仿真[J]. 孙建国,王寿喜. 油气储运. 2001(08)
[10]水力瞬变特征线法和隐式差分法的对比分析[J]. 蒋仕章,蒲家宁. 油气储运. 2001(01)
博士论文
[1]复杂天然气管网快速准确稳健仿真方法研究及应用[D]. 王鹏.中国石油大学(北京) 2016
[2]城市天然气输配管网水力模拟研究与实践[D]. 王兴畏.重庆大学 2013
[3]大型天然气管网仿真计算引擎的研究与实现[D]. 郑建国.西南石油大学 2012
[4]川西地区天然气管网优化及仿真技术研究[D]. 柏毅.西南石油学院 2004
硕士论文
[1]基于并行计算的天然气管道动态模型算法研究[D]. 谢黛茜.西南石油大学 2016
[2]天然气管网数值模拟[D]. 李越.西南石油学院 2005
本文编号：3696833
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 管网仿真模型
1.2.2 并行数值算法
1.2.3 CPU+GPU异构计算
1.3 研究内容
第2章 天然气管网仿真并行算法设计
2.1 引言
2.2 天然气管网仿真数理模型
2.2.1 天然气管网物理模型
2.2.2 天然气管网数学模型
2.2.3 天然气管网数学模型的线性化及其离散
2.2.4 天然气管网仿真离散方程组的形式
2.3 天然气管网仿真的DIMENS方法
2.3.1“分而治之”思想
2.3.2 管道元件解耦
2.3.3 DIMENS方法求解流程
2.4 线性方程组并行求解分析
2.4.1 管道预求解矩阵并行求解
2.4.2 管网连接点矩阵并行求解
2.5 本章小结
第3章 CPU+GPU异构平台上的仿真算法实施
3.1 引言
3.2 GPU和CUDA简介
3.2.1 GPU通用计算
3.2.2 CUDA编程模型
3.3 异构平台上的算法实施
3.3.1 算法实施流程概述
3.3.2 管道的预求解
3.3.3 管网连接点的预求解
3.3.4 管道的回代求解
3.4 GPU程序性能优化
3.4.1 访存优化
3.4.2 传输优化
3.4.3 流并行
3.5 本章小节
第4章 CPU+GPU异构平台上的仿真算法应用
4.1 引言
4.2 计算条件
4.2.1 硬件设备
4.2.2 软件环境
4.3 GPU加速线性方程组求解效果分析
4.3.1 管道预求解部分加速效果分析
4.3.2 管网连接点方程组求解加速效果分析
4.4 某实际天然气管网运行分析
4.4.1 管网概况
4.4.2 程序准确性及健壮性验证
4.4.3 性能表现
4.5 大型天然气管网下的加速效果分析
4.5.1 数值算例概况
4.5.2 性能表现
4.5.3 性能瓶颈分析
4.6 本章小结
第5章 结论与建议
5.1 结论
5.2 对今后研究工作的建议
参考文献
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]2015年中国油气管道建设新进展[J]. 高鹏,王培鸿,杨耀辉,王海英,陆争光. 国际石油经济. 2016(03)
[2]地层蓄热效应对输气管道数值模拟精度的影响[J]. 丁延鹏,李玉星,郝宏娜,毕研军. 中国石油大学学报(自然科学版). 2011(03)
[3]2010年我国油气管道新进展[J]. 蒲明,马建国. 国际石油经济. 2011(03)
[4]基于CPU+GPU异构计算的编程方法研究[J]. 冯颖,袁庆华,沈健炜. 通信技术. 2011(02)
[5]高性能计算的发展现状及趋势[J]. 张军华,臧胜涛,单联瑜,石林光. 石油地球物理勘探. 2010(06)
[6]基于GPU的并行优化技术[J]. 左颢睿,张启衡,徐勇,赵汝进. 计算机应用研究. 2009(11)
[7]天然气管网稳态和瞬态仿真的边界条件[J]. 左丽丽,吴长春,田劲松. 天然气工业. 2008(10)
[8]燃气管网动态仿真的研究及应用[J]. 杨昭,张甫仁,朱强. 天然气工业. 2006(04)
[9]气体管网的动态仿真[J]. 孙建国,王寿喜. 油气储运. 2001(08)
[10]水力瞬变特征线法和隐式差分法的对比分析[J]. 蒋仕章,蒲家宁. 油气储运. 2001(01)
博士论文
[1]复杂天然气管网快速准确稳健仿真方法研究及应用[D]. 王鹏.中国石油大学(北京) 2016
[2]城市天然气输配管网水力模拟研究与实践[D]. 王兴畏.重庆大学 2013
[3]大型天然气管网仿真计算引擎的研究与实现[D]. 郑建国.西南石油大学 2012
[4]川西地区天然气管网优化及仿真技术研究[D]. 柏毅.西南石油学院 2004
硕士论文
[1]基于并行计算的天然气管道动态模型算法研究[D]. 谢黛茜.西南石油大学 2016
[2]天然气管网数值模拟[D]. 李越.西南石油学院 2005
本文编号：3696833
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