【摘要】：相場(chǎng)法通過(guò)將相場(chǎng)與溫度場(chǎng)、溶質(zhì)場(chǎng)、流場(chǎng)以及其它外部場(chǎng)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(zhǎng)過(guò)程最有效的方法之一。隨著相場(chǎng)法的應(yīng)用越來(lái)越深入,所建立的相場(chǎng)模型越來(lái)越復(fù)雜,計(jì)算規(guī)模越來(lái)越大,計(jì)算精度要求越來(lái)越高,計(jì)算時(shí)間卻要求越來(lái)越短,傳統(tǒng)相場(chǎng)求解方法已成為相場(chǎng)法發(fā)展的瓶頸之一。高性能計(jì)算方法不但可以有效的提升計(jì)算效率,擴(kuò)大計(jì)算規(guī)模,而且可以利用眾多線程的計(jì)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(lái)求解相場(chǎng)模型領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。隨著計(jì)算能力的不斷提高和可編程性的不斷增強(qiáng),GPU的發(fā)展相當(dāng)迅速,在融合CPU和GPU構(gòu)成的異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)上使用GPU實(shí)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(tái),無(wú)法實(shí)現(xiàn)并行算法跨平臺(tái)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(gè)處理器都能發(fā)揮出其最大性能。因此,本文針對(duì)多場(chǎng)耦合多相場(chǎng)模型求解過(guò)程中面臨的計(jì)算量大、計(jì)算區(qū)域受限以及計(jì)算效率低等問(wèn)題,重點(diǎn)討論了采用OpenCL+GPU軟硬件體系結(jié)構(gòu),通過(guò)多進(jìn)程和多線程的并發(fā)執(zhí)行實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模上的三維共晶多相場(chǎng)模型的求解。主要開(kāi)展工作如下:(1)將純擴(kuò)散共晶生長(zhǎng)多相場(chǎng)模型KKSM與計(jì)算動(dòng)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(qiáng)迫流動(dòng)狀態(tài)下共晶生長(zhǎng)的PF-LBM相場(chǎng)模型。(2)針對(duì)傳統(tǒng)求解多場(chǎng)耦合多相場(chǎng)模型中存在的問(wèn)題,分析制約串行算法計(jì)算效率的關(guān)鍵步驟,并對(duì)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(jì)算方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)耦合流動(dòng)場(chǎng)等多場(chǎng)耦合的三維共晶多相場(chǎng)模型的并行求解。(3)將采用并行計(jì)算與同條件下傳統(tǒng)求解方法模擬的結(jié)果對(duì)比分析,驗(yàn)證并行算法的可靠性及其加速性能,通過(guò)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(tái)上分別達(dá)到了24.3倍和21.6倍的加速比;同時(shí),基于OpenCL+GPU并行算法以其強(qiáng)大的浮點(diǎn)計(jì)算能力獲取了較為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果,達(dá)到計(jì)算效率和可移植性的雙重需求,解決了傳統(tǒng)求解相場(chǎng)模型存在的計(jì)算量大、效率低、限于定性研究等問(wèn)題。
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP338.6
【圖文】：

采用傳統(tǒng)的相場(chǎng)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(gè)共晶組織凝固過(guò)程，基于多元合金多相系oltzmann 方法，耦合溫度場(chǎng)、溶質(zhì)場(chǎng)、流動(dòng)場(chǎng)等外場(chǎng)，建合的三維 PF-LBM 多相場(chǎng)模型。固原理以其特有的機(jī)械性能，被廣泛應(yīng)用在各個(gè)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(guò)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(shí)，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(shí)，使得熔體內(nèi)兩相組元過(guò)于飽和，驅(qū)動(dòng)力，兩相傾向于同時(shí)析出，析出的兩相組元可以部分。

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本文編號(hào)：2740339