【摘要】：相場法通過將相場與溫度場、溶質(zhì)場、流場以及其它外部場相耦合,可有效的將微觀與宏觀尺度相結(jié)合,已成為數(shù)值模擬晶體生長過程最有效的方法之一。隨著相場法的應(yīng)用越來越深入,所建立的相場模型越來越復(fù)雜,計算規(guī)模越來越大,計算精度要求越來越高,計算時間卻要求越來越短,傳統(tǒng)相場求解方法已成為相場法發(fā)展的瓶頸之一。高性能計算方法不但可以有效的提升計算效率,擴大計算規(guī)模,而且可以利用眾多線程的計算隱藏訪存延遲,因而成為提升程序性能的一種有效措施,是近年來求解相場模型領(lǐng)域的一個研究熱點。隨著計算能力的不斷提高和可編程性的不斷增強,GPU的發(fā)展相當(dāng)迅速,在融合CPU和GPU構(gòu)成的異構(gòu)計算系統(tǒng)上使用GPU實現(xiàn)應(yīng)用程序加速已經(jīng)成為提高程序性能的主要模式。在GPU編程模型中應(yīng)用最廣泛的是CUDA和OpenCL,但是CUDA編程模型只能應(yīng)用于特定的NVIDIA平臺,無法實現(xiàn)并行算法跨平臺處理。OpenCL不僅得到了眾多硬件廠商的支持,而且可以很好的控制硬件合理的分配任務(wù),使各個處理器都能發(fā)揮出其最大性能。因此,本文針對多場耦合多相場模型求解過程中面臨的計算量大、計算區(qū)域受限以及計算效率低等問題,重點討論了采用OpenCL+GPU軟硬件體系結(jié)構(gòu),通過多進(jìn)程和多線程的并發(fā)執(zhí)行實現(xiàn)較大規(guī)模上的三維共晶多相場模型的求解。主要開展工作如下:(1)將純擴散共晶生長多相場模型KKSM與計算動量、質(zhì)量和能量傳輸?shù)母褡硬柶澛椒?Lattice Boltzmann Method)相結(jié)合,建立了強迫流動狀態(tài)下共晶生長的PF-LBM相場模型。(2)針對傳統(tǒng)求解多場耦合多相場模型中存在的問題,分析制約串行算法計算效率的關(guān)鍵步驟,并對這些關(guān)鍵步驟的可并行性進(jìn)行分析,探索一種基于OpenCL+GPU的高性能并行計算方法,實現(xiàn)對耦合流動場等多場耦合的三維共晶多相場模型的并行求解。(3)將采用并行計算與同條件下傳統(tǒng)求解方法模擬的結(jié)果對比分析,驗證并行算法的可靠性及其加速性能,通過優(yōu)化算法使其達(dá)到最佳性能,并不斷改進(jìn)模型。與串行算法相比優(yōu)化后的并行算法在不同異構(gòu)平臺上分別達(dá)到了24.3倍和21.6倍的加速比;同時,基于OpenCL+GPU并行算法以其強大的浮點計算能力獲取了較為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果,達(dá)到計算效率和可移植性的雙重需求,解決了傳統(tǒng)求解相場模型存在的計算量大、效率低、限于定性研究等問題。
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP338.6
【圖文】：

采用傳統(tǒng)的相場模型難以勝任模擬共晶組織凝固的演準(zhǔn)確的體現(xiàn)整個共晶組織凝固過程，基于多元合金多相系oltzmann 方法，耦合溫度場、溶質(zhì)場、流動場等外場，建合的三維 PF-LBM 多相場模型。固原理以其特有的機械性能，被廣泛應(yīng)用在各個工業(yè)領(lǐng)域。共晶決于其微觀組織，不同的共晶合金其微觀組織的形態(tài)也是們的組成成分、層片之間的間距、層片的厚度、過冷度的的。共晶合金相圖由如圖 2.1 所示的 相、 相和 L相三相為固相，L 相為液相。當(dāng)共晶合金處于液體狀態(tài)時，組成完全互溶的。在平衡狀態(tài)下，共晶結(jié)晶取決于平衡溫度下如圖所示的陰影區(qū)域時，使得熔體內(nèi)兩相組元過于飽和，驅(qū)動力，兩相傾向于同時析出，析出的兩相組元可以部分。

枰

本文編號：2740339