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

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【摘要】：由于重質(zhì)油體系的復雜性和當前分析技術(shù)的局限性,重質(zhì)油的實驗研究工作存在不足,耗散粒子動力學(Dissipative Particle Dynamics, DPD)等計算機模擬技術(shù)成為研究重質(zhì)油的重要補充手段。采用DPD模擬瀝青質(zhì)在重質(zhì)油中的擴散行為和聚集態(tài)結(jié)構(gòu),可以加深我們對重質(zhì)油流變性、分散性和乳化穩(wěn)定性等物理和化學性質(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)模較大且復雜度較高,串行DPD程序計算性能無法滿足需求。本論文利用GPU加速技術(shù)實現(xiàn)了高性能的DPD并行計算程序,并對瀝青質(zhì)的擴散行為、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)以及重質(zhì)油的流變性進行了模擬研究。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,采用一維空間分解方法,實現(xiàn)了多GPU加速的耗散粒子動力學模擬平臺DPD-GPU:DPD中粒子鄰居搜索、作用力計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模擬對隨機數(shù)的需求,實現(xiàn)了基于TEA算法的隨機數(shù)生成器；通過GPU之間的通信,實現(xiàn)了子區(qū)域邊界層附近粒子的作用力計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)片段的運動特性；針對現(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,驗證了DPD-GPU的可靠性。性能測試結(jié)果表明,DPD-GPU在單個和兩個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100倍和180倍以上。模擬大規(guī)模體系時,DPD-GPU的計算性能隨著使用GPU個數(shù)的增加接近線性提高。(2)對瀝青質(zhì)在甲苯中的擴散行為和瀝青質(zhì)在正庚烷中的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)進行了模擬研究。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到180x180×180,粒子總數(shù)接近17,500,000個。模擬得到的瀝青質(zhì)擴散系數(shù)與濃度的變化關(guān)系與文獻報道一致：模擬體系中瀝青質(zhì)濃度最低達到0.12 g·L-1,擴散系數(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,擴散系數(shù)下降到1.2×10-10m2·s-1左右,瀝青質(zhì)擴散系數(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,驗證了改進的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,也與實驗結(jié)果近似一致。(3)模擬研究了摻入輕質(zhì)油和乳化對重質(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)量分數(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)量分數(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)量分數(shù)對粘度影響較小；隨著油分質(zhì)量分數(shù)超過50%,乳狀液體系轉(zhuǎn)變?yōu)橛桶?增加油分質(zhì)量分數(shù)會引起粘度的大幅升高。(4)對重質(zhì)油平板界面間的Poiseuile流動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性。模擬結(jié)果與理論公式的分析結(jié)果一致,驗證了研究方法的可靠性。
【關(guān)鍵詞】：重質(zhì)油 耗散粒子動力學 GPU 瀝青質(zhì)
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(過程工程研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TE621
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 1 文獻綜述13-31
• 1.1 引言13-14
• 1.2 重質(zhì)油體系的物理化學特性14-22
• 1.2.1 重質(zhì)油的化學組成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 并行耗散粒子動力學程序的發(fā)展25-29
• 1.4.1 CPU并行耗散粒子動力學簡介25-26
• 1.4.2 GPU并行計算技術(shù)的發(fā)展簡介26-28
• 1.4.3 GPU加速耗散粒子動力學研究現(xiàn)狀28-29
• 1.5 本文的研究目的與主要內(nèi)容29-31
• 2 多GPU加速的耗散粒子動力學模擬平臺31-67
• 2.1 引言31
• 2.2 耗散粒子動力學簡介31-34
• 2.3 并行實現(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37-39
• 2.4 基于GPU的算法設(shè)計與實現(xiàn)39-53
• 2.4.1 粒子的鄰居搜索39-42
• 2.4.2 作用力的計算42-49
• 2.4.2.1 子區(qū)域邊界處粒子作用力的計算42-43
• 2.4.2.2 隨機數(shù)生成器的實現(xiàn)43-48
• 2.4.2.3 彈簧力的計算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平臺校驗54-61
• 2.6.1 單粒子體系的模擬驗證54-55
• 2.6.2 煙炱-潤滑油-分散劑體系的模擬驗證55-61
• 2.7 性能測試61-64
• 2.8 本章小結(jié)64-67
• 3 瀝青質(zhì)的擴散行為和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)67-93
• 3.1 引言67-68
• 3.2 粗�；Ｐ头肿优c保守力參數(shù)簡介68-70
• 3.3 剛性分子轉(zhuǎn)動處理的實現(xiàn)70-80
• 3.3.1 四元數(shù)轉(zhuǎn)動算法70-73
• 3.3.2 四元數(shù)轉(zhuǎn)動算法的實現(xiàn)73-75
• 3.3.3 程序驗證75-78
• 3.3.4 性能測試78-80
• 3.4 瀝青質(zhì)擴散行為的模擬研究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 組成對粘度的影響96-99
• 4.2.3 剪切作用對聚集體結(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)量比對粘度的影響103-106
• 4.3.3 剪切作用對聚集體結(jié)構(gòu)的影響106-108
• 4.4 重質(zhì)油在受限空間流動的模擬108-119
• 4.4.1 固體邊界條件的實現(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123
• 5.3 展望123-125
• 符號與縮略語表125-129
• 參考文獻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)系的拓撲結(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)計方法159-161
• 個人簡歷及發(fā)表文章目錄161-163
• 致謝163

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