基于GPU加速的SPH方法溃坝水流数值模拟研究

作     者：张福红 

作者单位：华北水利水电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张建伟;陈海舟

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 081501[工学-水文学及水资源] 0815[工学-水利工程] 

主      题：溃坝水流 光滑粒子流体动力学SPH GPU加速计算 三维模拟 

摘      要：溃坝水流流动是典型的不可压自由表面流运动,对于溃坝水流的模拟及可视化研究是水利工程中仿真模拟范畴的重难点问题,精确地模拟出溃坝水流的流动特性对水利工程设计与安全评估有重要意义。对溃坝水流的研究涉及到流体的强非线性和各种复杂的物理学问题,直接求解析解几无可能,但随着各种近似解法的提出,尤其是数值模拟方法的进步,利用计算机技术进行数值求解可获得溃坝水流良好的近似解,可为此类水利工程问题研究提供可行技术手段,值得深入研究。传统的有网格法模拟方法受到水体连续性条件的约束和自由液面的界面追踪问题的困扰,对于求解流体问题存在先天性困难。SPH方法作为近代兴起的无网格方法,采用粒子流模拟自由表面流运动,消除了有网格法天然的弊端,完全回避了网格生成与扭曲问题。当SPH方法因采用大量粒子进行计算时,常常需要考虑计算效率问题,尤其是在高维水流模拟问题时,需重点考虑如何提高SPH方法的计算速度,以在合理的时间范围内得到有效的数值结果。本文基于SPH方法,借助CUDA并行模式的GPU加速优化计算,主要做了以下研究工作:(1)SPH方法基本理论研究。首先介绍了SPH方法基本思想、核近似、粒子近似方法及SPH方法中用到的数值技术;介绍了固壁边界条件和自由边界条件的边界处理方式,重点论述了动力边界条件涉及的边界斥力法和镜像虚粒子法及运动边界条件涉及的动态边界法。(2)GPU加速与CUDA并行计算理论研究。在GPU加速的CUDA架构计算下,结合数值算例Poiseuille流做了模拟验证,计算结果与数值解误差不超过4%。(3)二维溃坝水流模拟研究。将SPH模拟计算结果和文献实验结果比对,发现采用的SPH方法计算结果与文献实验结果吻合度为88.4%;从不同光滑长度和粒子数目的角度探究了其敛散性,得到比例系数收敛于1.25,粒子数目收敛于44034。(4)三维溃坝水流的数值模拟研究。分析了溃决水流的流速、流态,消能障碍物与各测点的受力及水体的能量变化;定量的计算了水体动能变化量,得到梯形障碍物块体消能效果最好,消能效率为14.154%。