面向微流体的原子—连续耦合模拟并行应用开发框架关键技术研究

发布时间：2020-03-21 01:11

【摘要】：随着纳米技术和微机械加工技术的日益兴起,促使对流体性质的研究从宏观层面扩展到微观层面。微流体流动现象和性质的研究对生物工程、医药、化工以及高通量器件的设计和制造有这重要的科学意义和研究价值。较小的时空间尺度和高表面积 体积比,使得传统宏观流体连续性假设不再适用,原子 连续耦合模拟方法应运而生搭建了从宏观连续尺度到微观原子尺度的桥梁,成为研究微流体流动特性的重要手段。实现高效的大规模微流体并行数值模拟面临着精确的原子 连续耦合模拟方法、高效可扩展的并行数值求解器以及面向原子 连续耦合模拟的并行优化方法等多方面的挑战。本文针对微流体模拟并行应用所面临的开发难、模拟精度和计算效率问题对面向微流体的大规模并行数值模拟的关键技术展开研究,主要内容及创新点包括:·设计并实现了面向微流体的原子 连续耦合模拟并行计算框架(第二章)首次对面向微流体的原子 连续耦合模拟并行计算软件框架的整体架构进行抽象,设计了面向多领域协作的层次化架构。基于Open FOAM软件框架、LAMMPS软件框架,设计并实现了原子 连续耦合模拟核心求解器;基于SALOME软件框架,设计并实现了用户界面友好的统一前后端处理工具。该研究成果为微流体的大规模并行模拟提供可用的软件平台,降低了开发复杂度,实现了跨领域协作,指导微流体器件的生产和制造。·设计并实现了面向微流体的原子 连续耦合模拟的耦合机制(第三章)基于原子 连续耦合模拟方法的空间耦合机制、时间步进机制、采样机制和相关系数配置机制对耦合模拟精度和效率影响的深入分析,以管道流问题为模型,在满足模拟精度和效率的要求下,设计并实现了面向直边耦合外形的重叠区域宽度最小,数据交换最充分的空间耦合机制、交互次数和采样样本数目适当的时间耦合机制以及引入波动最小的非周期边界力模型的耦合优化机制。该研究成果为领域研究人员针对复杂耦合外形测试案例的耦合策略设置提供指导。·提出了面向微流体的原子 连续耦合的高效并行粒子插入算法(第四章)针对粒子插入算法在原子 连续耦合模拟计算中耗时较大的问题,提出了面向稠密流体的基于精细格子的White-Initial USHER(WI-USHER)并行粒子插入算法。WI-USHER算法通过对待插入粒子区域进行精细网格划分,采用设计的排除格子规则,对待插入区域进行排除标记,进而在未标记区域内寻找目标插入点。在数目密度为0.6～1.0的情况下,WI-USHER算法的力评估次数相较于原有算法从O(104)降低到O(103),占用总模拟时间比例从原有算法的23.5%降低为3.2%。WI-USHER不仅大幅提升了原有粒子插入算法的性能,同时也平衡了耦合并行计算框架中并行粒子插入负载。·设计并实现了面向原子 连续耦合模拟的并行优化技术(第五章)从原子 连续耦合计算的特征出发,考虑两尺度可扩展性不同、耦合计算引入的计算负载、计算资源有限和消除噪声的需求,设计了面向原子 连续耦合多通信域嵌套并行划分方式,进程分配和映射方式,同时设计最小化进程间通信量的智能传输机制;设计了面向耦合模拟的负载平衡评价指标,建立面向原子 连续耦合的负载平衡模型;设计了多副本驱动方式和分配决策机制,并提出了计算资源分配模型。测试用例的实验结果表明相应优化技术能够缓和原有的负载不均衡和资源分配不优的情况,同时耦合测试平台也具有较好的并行可扩展性。
【图文】：

图2.13在前端处理工具中对Couette管道流进行空间划分 图2.14设置详细的原子 连续耦合模拟控制参数，模拟区域中的流体平均流速到处为0，在t = 0时刻， 1.0 /恒定的移动，下方墙保持静止。在图2.15中展示果。在初始发展阶段，只有上方滑移墙处感受到拖拽，

图2.14设置详细的原子 连续耦合模拟控制参数，模拟区域中的流体平均流速到处为0，在t = 0时刻， 1.0 /恒定的移动，下方墙保持静止。在图2.15中展示果。在初始发展阶段，只有上方滑移墙处感受到拖拽，线性Couette线性速度曲线。从图2.15中可以看到耦合模配的非常好，也可以看到原子场和连续场在重叠区部分合模拟结果在HACP3中进行了后处理显示如图2.16所示方法正确性的一个验证。还比较了串行执行的情况下HAC耦合模拟方法同全M况，，我们将具体的消耗时间列在表2.4中。我们可以看到仅是同等模拟区域下全MD模拟时间的39.25%，展现第43页
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH703

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本文编号：2592492