基于CUDA的连铸凝固过程热流耦合模型的研究

发布时间：2020-08-22 04:40

【摘要】：连铸凝固过程中流动和传热现象涉及流场、温度场、电磁场等多个物理场的耦合作用。早期的研究多将流场的作用简化为一个增大的有效导热系数,但不能完全描述钢液流动,而通过基于多场耦合模型的研究也面临着模型求解复杂所带来的计算时间过长等问题。针对上述问题,本文研究了连铸凝固过程中电磁搅拌作用下的温度场和流场的耦合作用关系及其在CUDA平台实现的数值求解算法,完成了热流耦合模型的快速求解。本文主要研究内容如下:研究电磁搅拌作用下温度场和流场的耦合关系,建立了基于能量守恒、动量守恒和质量守恒的三维热流耦合模型,并给出基于同位网格PISO算法的数值求解算法。其中,磁场对流场为单向耦合,耦合关系通过电磁体积力与动量方程的源项相关联;温度场对流场为双向耦合,耦合关系通过热物性参数、热浮力项和Darcy衰减项关联。在CUDA平台上实现了热流耦合模型的并行求解加速,完成了PISO算法的并行程序设计,并通过优化GPU的内存存取和内核函数的线程配置实现耦合模型的快速。结果表明:在电磁搅拌的作用下,钢液做水平旋转运动,流体速度由中心向外逐渐增大,靠近凝固区域流速逐渐减小;热流耦合模型与温度场模型相比,其计算所得的中心温度较低,表面温度较高,表明对流作用带动温度由铸坯中心向铸坯表面传递,符合实际变化规律。CUDA平台下的并行计算结果与原有标准程序结果一致,热流耦合模型的求解达到2.21倍的加速比,优化效果良好。
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TF777
【图文】：

示意图,示意图,内部质量,电磁搅拌

逦第１章绪论逡逑究的背景及意义逡逑中，在未凝固的液芯区域的钢水在外围坯壳的包裹下不断流动，温度差，会导致流体质点产生宏观上的运动，由此引起对流换量会由温度高的部分向温度低的部分进行传递，热量以导热形中间包到结晶器的冲击区、电磁搅拌区域的流体流动更为明显的流动、糊状区的状态和行为直接决定着铸坯的内部质量，不动，不但影响钢水的凝固和夹杂物的去除，诱发鼓肚缺陷，而内部质量密切相关ｍ。因此研宄电磁搅拌作用下温度场与流场

高性能计算,领域,性能应用,架构

２００７年，ＮＶＩＤＩＡ公司开发了第一个懫用ＣＵＤＡ架构的专用计算的ＧＰＵ，ＣＵＤＡ统一逡逑架构的提出大大降低了邋ＧＰＵ的编程难度，大量科学计算开始采用ＧＰＵ作为性能加速手逡逑段。如图１．２所示，ＮＶＩＤＩＡ公司在其网站上列出了近些年一些研宄单位利用ＧＰＵ在高逡逑性能应用领域所做工作及结果。逡逑５Ｘ逦１８Ｘ逦２０Ｘ逦３０Ｘ逦３６Ｘ逡逑Ａｄｏｂｅ邋ｄｔｇｔｔａ（逦Ｖｉｄｅｏ邋Ｔｒａｎｓｃｏｄｉｎｇ逦３Ｄ邋Ｕｔｔｒ＆ｏｕｎｄ逦Ｇｅｎｅ邋Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ逦Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ邋Ｄｙｔｉａｍｔｃｓ逡逑ｃｏｎｔｅｎｔ邋ｃｒｅａｔｉｏｎ逦Ｅｌｅｍｅｎｔａｌ邋Ｔｅｃｈ逦ＴｅｃｔｔｎｔＳｃａｎ逦Ｕ邋ｏｆ邋Ｍａｒｙｉｉｎｄ逦Ｕ邋ｏｆ邋ｉＵｉｎｏｉｓ，邋Ｕｒｔ＞ｄｎａ逡逑ｍｍｍｍｍ逡逑５０Ｘ逦８０Ｘ逦１００Ｘ逦Ｕ６Ｘ逦Ｕ９Ｘ逡逑Ｍ邋ＡＴＬＡＳ邋Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ逦Ｗｅａｔｈｅｒ邋Ｍ0ｄ？ｉｉｎ９逦ＡｓｔｒｏｐｈｙｉＪＣｉ逦Ｍｅｄｉｃａｌ逦Ｆｉｎａｎｃｉａｌ邋Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ逡逑ＡｃｃｃｌｅｒＥｙｅｓ逦Ｔｏｋｙｏ邋ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ邋ｏｆ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ逦ＲｌＫＥＮ逦Ｕ邋ｏｆ邋Ｕｔａｈ逦Ｏｘｆｏｒｄ逡逑图１．２高性能计算领域在ＧＰＵ上的应用及结果逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ邋ａｎｄ邋ｒｅｓｕｌｔｓ邋ｏｆ邋ｈｉｇｈ邋ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ邋ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ邋ｏｎ邋ＧＰＵ逡逑基于ＧＰＵ高性能计算的工作分布在视频转码、医学成像、基因测序、气象建模预逡逑－３－逡逑

连铸坯,凝固过程

图２．１连铸坯凝固过程逡逑Ｆｉｇ．２．１邋Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ邋ｃａｓｔｉｎｇ邋ｂｉｌｌｅｔｓ逡逑连铸坯凝固过程中的热量传递是一个相对复杂的物理过程，如图２．１所示，它涉及逡逑对流、相变等复杂的物理现象，同时其边界条件具有多样性和复杂性。逡逑随着连铸坯冷却的进行，钢水发生液态向固态的转变，并随着温度变化发生不同固逡逑态相之间的转变。相变过程伴随着潜热的释放，减缓其温度场变化的速度。其中，由液逡逑态向固态转变所释放的凝固潜热约占整个过程释放的总热量的３０％，对连铸传热过程具逡逑有显著的影响。另外，铸坯依次经历结晶器、二冷区、空冷区三个冷却区，通过冷却驱逡逑动将铸坯内部热量导出完成凝固。铸坯的形成自结晶器开始，于结晶器中通过高速冷却逡逑－７－逡逑

【参考文献】