【摘要】：隨著納米技術(shù)和微機械加工技術(shù)的日益興起,促使對流體性質(zhì)的研究從宏觀層面擴展到微觀層面。微流體流動現(xiàn)象和性質(zhì)的研究對生物工程、醫(yī)藥、化工以及高通量器件的設(shè)計和制造有這重要的科學(xué)意義和研究價值。較小的時空間尺度和高表面積 體積比,使得傳統(tǒng)宏觀流體連續(xù)性假設(shè)不再適用,原子 連續(xù)耦合模擬方法應(yīng)運而生搭建了從宏觀連續(xù)尺度到微觀原子尺度的橋梁,成為研究微流體流動特性的重要手段。實現(xiàn)高效的大規(guī)模微流體并行數(shù)值模擬面臨著精確的原子 連續(xù)耦合模擬方法、高效可擴展的并行數(shù)值求解器以及面向原子 連續(xù)耦合模擬的并行優(yōu)化方法等多方面的挑戰(zhàn)。本文針對微流體模擬并行應(yīng)用所面臨的開發(fā)難、模擬精度和計算效率問題對面向微流體的大規(guī)模并行數(shù)值模擬的關(guān)鍵技術(shù)展開研究,主要內(nèi)容及創(chuàng)新點包括:·設(shè)計并實現(xiàn)了面向微流體的原子 連續(xù)耦合模擬并行計算框架(第二章)首次對面向微流體的原子 連續(xù)耦合模擬并行計算軟件框架的整體架構(gòu)進(jìn)行抽象,設(shè)計了面向多領(lǐng)域協(xié)作的層次化架構(gòu)�；贠pen FOAM軟件框架、LAMMPS軟件框架,設(shè)計并實現(xiàn)了原子 連續(xù)耦合模擬核心求解器;基于SALOME軟件框架,設(shè)計并實現(xiàn)了用戶界面友好的統(tǒng)一前后端處理工具。該研究成果為微流體的大規(guī)模并行模擬提供可用的軟件平臺,降低了開發(fā)復(fù)雜度,實現(xiàn)了跨領(lǐng)域協(xié)作,指導(dǎo)微流體器件的生產(chǎn)和制造�！ぴO(shè)計并實現(xiàn)了面向微流體的原子 連續(xù)耦合模擬的耦合機制(第三章)基于原子 連續(xù)耦合模擬方法的空間耦合機制、時間步進(jìn)機制、采樣機制和相關(guān)系數(shù)配置機制對耦合模擬精度和效率影響的深入分析,以管道流問題為模型,在滿足模擬精度和效率的要求下,設(shè)計并實現(xiàn)了面向直邊耦合外形的重疊區(qū)域?qū)挾茸钚?數(shù)據(jù)交換最充分的空間耦合機制、交互次數(shù)和采樣樣本數(shù)目適當(dāng)?shù)臅r間耦合機制以及引入波動最小的非周期邊界力模型的耦合優(yōu)化機制。該研究成果為領(lǐng)域研究人員針對復(fù)雜耦合外形測試案例的耦合策略設(shè)置提供指導(dǎo)�！ぬ岢隽嗣嫦蛭⒘黧w的原子 連續(xù)耦合的高效并行粒子插入算法(第四章)針對粒子插入算法在原子 連續(xù)耦合模擬計算中耗時較大的問題,提出了面向稠密流體的基于精細(xì)格子的White-Initial USHER(WI-USHER)并行粒子插入算法。WI-USHER算法通過對待插入粒子區(qū)域進(jìn)行精細(xì)網(wǎng)格劃分,采用設(shè)計的排除格子規(guī)則,對待插入?yún)^(qū)域進(jìn)行排除標(biāo)記,進(jìn)而在未標(biāo)記區(qū)域內(nèi)尋找目標(biāo)插入點。在數(shù)目密度為0.6～1.0的情況下,WI-USHER算法的力評估次數(shù)相較于原有算法從O(104)降低到O(103),占用總模擬時間比例從原有算法的23.5%降低為3.2%。WI-USHER不僅大幅提升了原有粒子插入算法的性能,同時也平衡了耦合并行計算框架中并行粒子插入負(fù)載�！ぴO(shè)計并實現(xiàn)了面向原子 連續(xù)耦合模擬的并行優(yōu)化技術(shù)(第五章)從原子 連續(xù)耦合計算的特征出發(fā),考慮兩尺度可擴展性不同、耦合計算引入的計算負(fù)載、計算資源有限和消除噪聲的需求,設(shè)計了面向原子 連續(xù)耦合多通信域嵌套并行劃分方式,進(jìn)程分配和映射方式,同時設(shè)計最小化進(jìn)程間通信量的智能傳輸機制;設(shè)計了面向耦合模擬的負(fù)載平衡評價指標(biāo),建立面向原子 連續(xù)耦合的負(fù)載平衡模型;設(shè)計了多副本驅(qū)動方式和分配決策機制,并提出了計算資源分配模型。測試用例的實驗結(jié)果表明相應(yīng)優(yōu)化技術(shù)能夠緩和原有的負(fù)載不均衡和資源分配不優(yōu)的情況,同時耦合測試平臺也具有較好的并行可擴展性。
【圖文】：

圖2.13在前端處理工具中對Couette管道流進(jìn)行空間劃分 圖2.14設(shè)置詳細(xì)的原子 連續(xù)耦合模擬控制參數(shù)，模擬區(qū)域中的流體平均流速到處為0，在t = 0時刻， 1.0 /恒定的移動，下方墻保持靜止。在圖2.15中展示果。在初始發(fā)展階段，只有上方滑移墻處感受到拖拽，

圖2.14設(shè)置詳細(xì)的原子 連續(xù)耦合模擬控制參數(shù)，模擬區(qū)域中的流體平均流速到處為0，在t = 0時刻， 1.0 /恒定的移動，下方墻保持靜止。在圖2.15中展示果。在初始發(fā)展階段，只有上方滑移墻處感受到拖拽，線性Couette線性速度曲線。從圖2.15中可以看到耦合模配的非常好，也可以看到原子場和連續(xù)場在重疊區(qū)部分合模擬結(jié)果在HACP3中進(jìn)行了后處理顯示如圖2.16所示方法正確性的一個驗證。還比較了串行執(zhí)行的情況下HAC耦合模擬方法同全M況，，我們將具體的消耗時間列在表2.4中。我們可以看到僅是同等模擬區(qū)域下全MD模擬時間的39.25%，展現(xiàn)第43頁
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TH703

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本文編號：2592492