【摘要】：連鑄凝固過程中流動和傳熱現(xiàn)象涉及流場、溫度場、電磁場等多個物理場的耦合作用。早期的研究多將流場的作用簡化為一個增大的有效導熱系數(shù),但不能完全描述鋼液流動,而通過基于多場耦合模型的研究也面臨著模型求解復雜所帶來的計算時間過長等問題。針對上述問題,本文研究了連鑄凝固過程中電磁攪拌作用下的溫度場和流場的耦合作用關(guān)系及其在CUDA平臺實現(xiàn)的數(shù)值求解算法,完成了熱流耦合模型的快速求解。本文主要研究內(nèi)容如下:研究電磁攪拌作用下溫度場和流場的耦合關(guān)系,建立了基于能量守恒、動量守恒和質(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,磁場對流場為單向耦合,耦合關(guān)系通過電磁體積力與動量方程的源項相關(guān)聯(lián);溫度場對流場為雙向耦合,耦合關(guān)系通過熱物性參數(shù)、熱浮力項和Darcy衰減項關(guān)聯(lián)。在CUDA平臺上實現(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,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)運動,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模型相比,其計算所得的中心溫度較低,表面溫度較高,表明對流作用帶動溫度由鑄坯中心向鑄坯表面?zhèn)鬟f,符合實際變化規(guī)律。CUDA平臺下的并行計算結(jié)果與原有標準程序結(jié)果一致,熱流耦合模型的求解達到2.21倍的加速比,優(yōu)化效果良好。
【學位授予單位】：東北大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：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，溫度差，會導致流體質(zhì)點產(chǎn)生宏觀上的運動，由此引起對流換量會由溫度高的部分向溫度低的部分進行傳遞，熱量以導熱形中間包到結(jié)晶器的沖擊區(qū)、電磁攪拌區(qū)域的流體流動更為明顯的流動、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，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與流場

２００７年，ＮＶＩＤＩＡ公司開發(fā)了第一個懫用ＣＵＤＡ架構(gòu)的專用計算的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，大量科學計算開始采用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高性能計算的工作分布在視頻轉(zhuǎn)碼、醫(yī)學成像、基因測序、氣象建模預逡逑－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相對復雜的物理過程，如圖２．１所示，它涉及逡逑對流、相變等復雜的物理現(xiàn)象，同時其邊界條件具有多樣性和復雜性。逡逑隨著連鑄坯冷卻的進行，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過程釋放的總熱量的３０％，對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)三個冷卻區(qū)，通過冷卻驅(qū)逡逑動將鑄坯內(nèi)部熱量導出完成凝固。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】

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本文編號：2800274