【摘要】：連鑄凝固過程中流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象涉及流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)等多個(gè)物理場(chǎng)的耦合作用。早期的研究多將流場(chǎng)的作用簡(jiǎn)化為一個(gè)增大的有效導(dǎo)熱系數(shù),但不能完全描述鋼液流動(dòng),而通過基于多場(chǎng)耦合模型的研究也面臨著模型求解復(fù)雜所帶來的計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)等問題。針對(duì)上述問題,本文研究了連鑄凝固過程中電磁攪拌作用下的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的耦合作用關(guān)系及其在CUDA平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的數(shù)值求解算法,完成了熱流耦合模型的快速求解。本文主要研究?jī)?nèi)容如下:研究電磁攪拌作用下溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的耦合關(guān)系,建立了基于能量守恒、動(dòng)量守恒和質(zhì)量守恒的三維熱流耦合模型,并給出基于同位網(wǎng)格PISO算法的數(shù)值求解算法。其中,磁場(chǎng)對(duì)流場(chǎng)為單向耦合,耦合關(guān)系通過電磁體積力與動(dòng)量方程的源項(xiàng)相關(guān)聯(lián);溫度場(chǎng)對(duì)流場(chǎng)為雙向耦合,耦合關(guān)系通過熱物性參數(shù)、熱浮力項(xiàng)和Darcy衰減項(xiàng)關(guān)聯(lián)。在CUDA平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了熱流耦合模型的并行求解加速,完成了PISO算法的并行程序設(shè)計(jì),并通過優(yōu)化GPU的內(nèi)存存取和內(nèi)核函數(shù)的線程配置實(shí)現(xiàn)耦合模型的快速。結(jié)果表明:在電磁攪拌的作用下,鋼液做水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),流體速度由中心向外逐漸增大,靠近凝固區(qū)域流速逐漸減小;熱流耦合模型與溫度場(chǎng)模型相比,其計(jì)算所得的中心溫度較低,表面溫度較高,表明對(duì)流作用帶動(dòng)溫度由鑄坯中心向鑄坯表面?zhèn)鬟f,符合實(shí)際變化規(guī)律。CUDA平臺(tái)下的并行計(jì)算結(jié)果與原有標(biāo)準(zhǔn)程序結(jié)果一致,熱流耦合模型的求解達(dá)到2.21倍的加速比,優(yōu)化效果良好。
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TF777
【圖文】：

邐第１章緒論逡逑究的背景及意義逡逑中，在未凝固的液芯區(qū)域的鋼水在外圍坯殼的包裹下不斷流動(dòng)，溫度差，會(huì)導(dǎo)致流體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生宏觀上的運(yùn)動(dòng)，由此引起對(duì)流換量會(huì)由溫度高的部分向溫度低的部分進(jìn)行傳遞，熱量以導(dǎo)熱形中間包到結(jié)晶器的沖擊區(qū)、電磁攪拌區(qū)域的流體流動(dòng)更為明顯的流動(dòng)、糊狀區(qū)的狀態(tài)和行為直接決定著鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量，不動(dòng)，不但影響鋼水的凝固和夾雜物的去除，誘發(fā)鼓肚缺陷，而內(nèi)部質(zhì)量密切相關(guān)ｍ。因此研宄電磁攪拌作用下溫度場(chǎng)與流場(chǎng)

２００７年，ＮＶＩＤＩＡ公司開發(fā)了第一個(gè)懫用ＣＵＤＡ架構(gòu)的專用計(jì)算的ＧＰＵ，ＣＵＤＡ統(tǒng)一逡逑架構(gòu)的提出大大降低了邋ＧＰＵ的編程難度，大量科學(xué)計(jì)算開始采用ＧＰＵ作為性能加速手逡逑段。如圖１．２所示，ＮＶＩＤＩＡ公司在其網(wǎng)站上列出了近些年一些研宄單位利用ＧＰＵ在高逡逑性能應(yīng)用領(lǐng)域所做工作及結(jié)果。逡逑５Ｘ邐１８Ｘ邐２０Ｘ邐３０Ｘ邐３６Ｘ逡逑Ａｄｏｂｅ邋ｄｔｇｔｔａ（邐Ｖｉｄｅｏ邋Ｔｒａｎｓｃｏｄｉｎｇ邐３Ｄ邋Ｕｔｔｒ＆ｏｕｎｄ邐Ｇｅｎｅ邋Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ邐Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ邋Ｄｙｔｉａｍｔｃｓ逡逑ｃｏｎｔｅｎｔ邋ｃｒｅａｔｉｏｎ邐Ｅｌｅｍｅｎｔａｌ邋Ｔｅｃｈ邐ＴｅｃｔｔｎｔＳｃａｎ邐Ｕ邋ｏｆ邋Ｍａｒｙｉｉｎｄ邐Ｕ邋ｏｆ邋ｉＵｉｎｏｉｓ，邋Ｕｒｔ＞ｄｎａ逡逑ｍｍｍｍｍ逡逑５０Ｘ邐８０Ｘ邐１００Ｘ邐Ｕ６Ｘ邐Ｕ９Ｘ逡逑Ｍ邋ＡＴＬＡＳ邋Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ邐Ｗｅａｔｈｅｒ邋Ｍ0ｄ？ｉｉｎ９邐ＡｓｔｒｏｐｈｙｉＪＣｉ邐Ｍｅｄｉｃａｌ邐Ｆｉｎａｎｃｉａｌ邋Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ逡逑ＡｃｃｃｌｅｒＥｙｅｓ邐Ｔｏｋｙｏ邋ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ邋ｏｆ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ邐ＲｌＫＥＮ邐Ｕ邋ｏｆ邋Ｕｔａｈ邐Ｏｘｆｏｒｄ逡逑圖１．２高性能計(jì)算領(lǐng)域在ＧＰＵ上的應(yīng)用及結(jié)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高性能計(jì)算的工作分布在視頻轉(zhuǎn)碼、醫(yī)學(xué)成像、基因測(cè)序、氣象建模預(yù)逡逑－３－逡逑

圖２．１連鑄坯凝固過程逡逑Ｆｉｇ．２．１邋Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ邋ｃａｓｔｉｎｇ邋ｂｉｌｌｅｔｓ逡逑連鑄坯凝固過程中的熱量傳遞是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的物理過程，如圖２．１所示，它涉及逡逑對(duì)流、相變等復(fù)雜的物理現(xiàn)象，同時(shí)其邊界條件具有多樣性和復(fù)雜性。逡逑隨著連鑄坯冷卻的進(jìn)行，鋼水發(fā)生液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變，并隨著溫度變化發(fā)生不同固逡逑態(tài)相之間的轉(zhuǎn)變。相變過程伴隨著潛熱的釋放，減緩其溫度場(chǎng)變化的速度。其中，由液逡逑態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變所釋放的凝固潛熱約占整個(gè)過程釋放的總熱量的３０％，對(duì)連鑄傳熱過程具逡逑有顯著的影響。另外，鑄坯依次經(jīng)歷結(jié)晶器、二冷區(qū)、空冷區(qū)三個(gè)冷卻區(qū)，通過冷卻驅(qū)逡逑動(dòng)將鑄坯內(nèi)部熱量導(dǎo)出完成凝固。鑄坯的形成自結(jié)晶器開始，于結(jié)晶器中通過高速冷卻逡逑－７－逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2800274