本文關(guān)鍵詞：GPU加速耗散粒子動(dòng)力學(xué)模擬軟件及其在重質(zhì)油介觀模擬中的應(yīng)用

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【摘要】：由于重質(zhì)油體系的復(fù)雜性和當(dāng)前分析技術(shù)的局限性,重質(zhì)油的實(shí)驗(yàn)研究工作存在不足,耗散粒子動(dòng)力學(xué)(Dissipative Particle Dynamics, DPD)等計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)成為研究重質(zhì)油的重要補(bǔ)充手段。采用DPD模擬瀝青質(zhì)在重質(zhì)油中的擴(kuò)散行為和聚集態(tài)結(jié)構(gòu),可以加深我們對(duì)重質(zhì)油流變性、分散性和乳化穩(wěn)定性等物理和化學(xué)性質(zhì)的理解。然而,在極稀瀝青質(zhì)溶液和重質(zhì)油體系模擬研究中,體系規(guī)模較大且復(fù)雜度較高,串行DPD程序計(jì)算性能無法滿足需求。本論文利用GPU加速技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高性能的DPD并行計(jì)算程序,并對(duì)瀝青質(zhì)的擴(kuò)散行為、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)以及重質(zhì)油的流變性進(jìn)行了模擬研究。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：(1)基于NVIDIA提供的CUDA (Compute Unified Device Architecture)平臺(tái),采用一維空間分解方法,實(shí)現(xiàn)了多GPU加速的耗散粒子動(dòng)力學(xué)模擬平臺(tái)DPD-GPU:DPD中粒子鄰居搜索、作用力計(jì)算和粒子信息的更新完全在GPU上并行執(zhí)行；通過分析大規(guī)模DPD模擬對(duì)隨機(jī)數(shù)的需求,實(shí)現(xiàn)了基于TEA算法的隨機(jī)數(shù)生成器；通過GPU之間的通信,實(shí)現(xiàn)了子區(qū)域邊界層附近粒子的作用力計(jì)算和粒子位置更新后粒子在子區(qū)域之間的遷移；將四元數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)算法集成到DPD-GPU中以表征稠合芳香環(huán)系剛性結(jié)構(gòu)片段的運(yùn)動(dòng)特性；針對(duì)現(xiàn)有固體邊界方法很難有效處理剛性分子與固體界面的碰撞問題,提出了新的固體邊界方法。應(yīng)用DPD-GPU模擬單粒子體系和煙炱-潤滑油-分散劑體系,得到了與串行程序一致的模擬結(jié)果,驗(yàn)證了DPD-GPU的可靠性。性能測(cè)試結(jié)果表明,DPD-GPU在單個(gè)和兩個(gè)GTX690 GPU上執(zhí)行80×80×80體系的模擬相比串行Material Studio的加速比分別可達(dá)100倍和180倍以上。模擬大規(guī)模體系時(shí),DPD-GPU的計(jì)算性能隨著使用GPU個(gè)數(shù)的增加接近線性提高。(2)對(duì)瀝青質(zhì)在甲苯中的擴(kuò)散行為和瀝青質(zhì)在正庚烷中的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬研究。為了模擬無限稀釋瀝青質(zhì)溶液體系,采用模擬盒子尺寸最大達(dá)到180x180×180,粒子總數(shù)接近17,500,000個(gè)。模擬得到的瀝青質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)與濃度的變化關(guān)系與文獻(xiàn)報(bào)道一致：模擬體系中瀝青質(zhì)濃度最低達(dá)到0.12 g·L-1,擴(kuò)散系數(shù)為2.0×10-10m2·s-1左右,隨著瀝青質(zhì)濃度升高到5.64 g·L-1,擴(kuò)散系數(shù)下降到1.2×10-10m2·s-1左右,瀝青質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)和濃度之間的關(guān)系近似滿足Stokes-Einstein方程。瀝青質(zhì)-正庚烷體系的模擬結(jié)果反映了瀝青質(zhì)的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)隨濃度的演化規(guī)律,驗(yàn)證了改進(jìn)的Mullins模型：隨著瀝青質(zhì)濃度由0.1 g·L-1升高到17.68 g·L-1,瀝青質(zhì)分別以單體分子、納米聚集體、團(tuán)簇和絮凝的狀態(tài)分布：模擬確定的CNAC和CCC分別在0.2g·L-1和2.2 g·L-1左右,也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果近似一致。(3)模擬研究了摻入輕質(zhì)油和乳化對(duì)重質(zhì)油流變性的影響。重油輕油混合體系的模擬結(jié)果表明,隨著混合體系中輕質(zhì)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,瀝青質(zhì)聚集體平均尺寸減小,粘度逐漸降低,并且混合體系由非牛頓流體向牛頓流體過渡。油-水乳狀液體系的模擬結(jié)果表明,在油分質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增加到50%左右的過程中,乳狀液體系為水包油型,油分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)粘度影響較�。浑S著油分質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過50%,乳狀液體系轉(zhuǎn)變?yōu)橛桶?增加油分質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)引起粘度的大幅升高。(4)對(duì)重質(zhì)油平板界面間的Poiseuile流動(dòng)做了初步的模擬研究,模擬結(jié)果表明：流體通量與施加體力大小有良好的線性關(guān)系；隨著平板界面間距增加流體通量指數(shù)上升；減弱固體界面對(duì)瀝青質(zhì)和膠質(zhì)的吸附作用可以增大流體的滑移距離,從而提高流體的流動(dòng)性。模擬結(jié)果與理論公式的分析結(jié)果一致,驗(yàn)證了研究方法的可靠性。
【關(guān)鍵詞】：重質(zhì)油 耗散粒子動(dòng)力學(xué) GPU 瀝青質(zhì)
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(過程工程研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TE621
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 1 文獻(xiàn)綜述13-31
• 1.1 引言13-14
• 1.2 重質(zhì)油體系的物理化學(xué)特性14-22
• 1.2.1 重質(zhì)油的化學(xué)組成14-15
• 1.2.2 重質(zhì)油的物理性質(zhì)15-17
• 1.2.3 瀝青質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)17-19
• 1.2.4 瀝青質(zhì)的膠體結(jié)構(gòu)19-22
• 1.3 重質(zhì)油體系的模擬研究進(jìn)展22-25
• 1.3.1 重質(zhì)油分子結(jié)構(gòu)/物性的模擬22-23
• 1.3.2 重質(zhì)油聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的模擬23-25
• 1.4 并行耗散粒子動(dòng)力學(xué)程序的發(fā)展25-29
• 1.4.1 CPU并行耗散粒子動(dòng)力學(xué)簡介25-26
• 1.4.2 GPU并行計(jì)算技術(shù)的發(fā)展簡介26-28
• 1.4.3 GPU加速耗散粒子動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀28-29
• 1.5 本文的研究目的與主要內(nèi)容29-31
• 2 多GPU加速的耗散粒子動(dòng)力學(xué)模擬平臺(tái)31-67
• 2.1 引言31
• 2.2 耗散粒子動(dòng)力學(xué)簡介31-34
• 2.3 并行實(shí)現(xiàn)策略34-39
• 2.3.1 多GPU的CUDA編程34-35
• 2.3.2 并行算法分析35-37
• 2.3.3 程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)37-39
• 2.4 基于GPU的算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)39-53
• 2.4.1 粒子的鄰居搜索39-42
• 2.4.2 作用力的計(jì)算42-49
• 2.4.2.1 子區(qū)域邊界處粒子作用力的計(jì)算42-43
• 2.4.2.2 隨機(jī)數(shù)生成器的實(shí)現(xiàn)43-48
• 2.4.2.3 彈簧力的計(jì)算48-49
• 2.4.3 粒子位置和速度的更新49-51
• 2.4.4 邊界條件的處理51-53
• 2.5 輸入與輸出處理的簡介53-54
• 2.6 DPD-GPU平臺(tái)校驗(yàn)54-61
• 2.6.1 單粒子體系的模擬驗(yàn)證54-55
• 2.6.2 煙炱-潤滑油-分散劑體系的模擬驗(yàn)證55-61
• 2.7 性能測(cè)試61-64
• 2.8 本章小結(jié)64-67
• 3 瀝青質(zhì)的擴(kuò)散行為和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)67-93
• 3.1 引言67-68
• 3.2 粗粒化模型分子與保守力參數(shù)簡介68-70
• 3.3 剛性分子轉(zhuǎn)動(dòng)處理的實(shí)現(xiàn)70-80
• 3.3.1 四元數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)算法70-73
• 3.3.2 四元數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)算法的實(shí)現(xiàn)73-75
• 3.3.3 程序驗(yàn)證75-78
• 3.3.4 性能測(cè)試78-80
• 3.4 瀝青質(zhì)擴(kuò)散行為的模擬研究80-84
• 3.4.1 模擬方案80-81
• 3.4.2 結(jié)果與討論81-84
• 3.5 瀝青質(zhì)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的模擬研究84-91
• 3.5.1 模擬方案84-85
• 3.5.2 結(jié)果與討論85-91
• 3.6 本章小結(jié)91-93
• 4 重質(zhì)油的流變性93-121
• 4.1 引言93-94
• 4.2 重油輕油混摻體系的模擬94-102
• 4.2.1 模擬方案94-96
• 4.2.2 組成對(duì)粘度的影響96-99
• 4.2.3 剪切作用對(duì)聚集體結(jié)構(gòu)的影響99-102
• 4.3 油-水乳狀液體系的模擬102-108
• 4.3.1 模擬方案102-103
• 4.3.2 油-水質(zhì)量比對(duì)粘度的影響103-106
• 4.3.3 剪切作用對(duì)聚集體結(jié)構(gòu)的影響106-108
• 4.4 重質(zhì)油在受限空間流動(dòng)的模擬108-119
• 4.4.1 固體邊界條件的實(shí)現(xiàn)108-111
• 4.4.2 模擬方案111-112
• 4.4.3 模擬結(jié)果112-119
• 4.5 本章小結(jié)119-121
• 5 結(jié)論與展望121-125
• 5.1 主要結(jié)論121-123
• 5.2 創(chuàng)新點(diǎn)123
• 5.3 展望123-125
• 符號(hào)與縮略語表125-129
• 參考文獻(xiàn)129-141
• 附錄A 模擬腳本編寫規(guī)則141-151
• 附錄B 稠合芳香環(huán)系的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)151-153
• 附錄C 模擬腳本生成工具簡介153-159
• 附錄D 聚集體信息的統(tǒng)計(jì)方法159-161
• 個(gè)人簡歷及發(fā)表文章目錄161-163
• 致謝163

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