堆积颗粒消波效应模型及其并行计算Word文档下载推荐.docx

堆积颗粒消波效应模型及其并行计算Word文档下载推荐.docx

《堆积颗粒消波效应模型及其并行计算Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《堆积颗粒消波效应模型及其并行计算Word文档下载推荐.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

Ｋｅｙ

ＷＯｒｄＳ：

Ｔｗｏ－ｐｈａｓｅｆｌｏｗ，ＭＰｌ，ＰａｒａｌｌｅｌＣｏｍｐｕｔｉｎｇ

文献标识码：

Ａ

ｄｏｉ：

１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７—１３０Ｘ２００９．Ａ１．０５５中图分类号：

０３８１；

０２４；

ＴＰ３９

并行算法，实现了对原问题并行化的数值模拟，在江南计算

ｌ

引言

多相流问题的研究在很多领域都有重要的意义，如石

机研究所的神威系列机上显示出较高的加速比和计算效率，得到了合理的计算结果。

油和天然气的开采、地热的开发、环境保护、海底隧道及大型地下建筑等等。

由于问题的非线性以及求解的时间跨度较长，多相流分析具有较高的计算复杂性［１￣５］。

对于爆炸产生的冲击波，爆点周围的某些松软、小颗粒介质，在爆炸高温气体作用下，颗粒吸热升温，也可能汽化，使得颗粒对爆炸冲击波具有一定的消波吸能作用。

本文将气体作为一相，颗粒作为一相，采用考虑颗粒间作用力（颗粒考虑为弹性体）、颗粒气体之间质量能量传递的二维轴对称双流体模型，对此类问题进行研究。

由于物理问题中含有两种物质，考虑了物质问质量、能量等的转换，致使控制方程组中的源项很强，它大大地限制了数值模拟时间步长的大小；

此外，模型中参数的计算复杂度高，计算量较大。

因此，一般的串行计算在计算时间上是无法忍受的，采用高速并行计算是解决这一难题的途径之一。

本文基于消息传递的ＭＰＩ系统，通过区域划分，设计

２物理模型

在我们的数值模拟中，假设在一个细长的圆柱型密闭空间中，爆炸驱动源在密闭空间底部，密闭空间内设有颗粒堆积结构，如图１所示。

’‘ｊ

一：

■■・

图１圆柱形密闭空间示意图

利用两相流理论，根据实际物理问题中容器以及球形爆炸驱动源的需要，采用考虑颗粒间作用力（颗粒考虑为弹性体）的二维轴对称双流体模型，气体作为一相，颗粒作为一

・收稿日期：

２００９—０７—１３；

修订日期：

２００９—０９—１０

作者简介：

郭永辉（１９６６一），女．陕西澄城人．硕士，副研究员．研究方向为数值模拟。

通讯地址：

７１００２４陕西省西安市６９信箱１２分箱；

Ｔｅｌ：

（０２９）８４７６５２２５；

Ｅ－ｍａｉｌ：

ｇｙｈ６６１０１２１孕１６３．ｃｏｔｌｌＡｄｄｒｅｓｓ：

Ｐ．ｏ．Ｂｏｘ６９—１２，Ｘｉ’ａｌｌ，Ｓｈａａｒｌ】【ｉ７１００２４。

Ｐ．ＲＣｈｉｎａ１９４

万方数据

ｔ）１（

相。

考虑气体颗粒之间的质量传递；

气体颗粒之间存在速度差引起的相互作用力，以及相互作用力引起的能量传递和二者温差引起的能量交换。

驱动源采用等压球模型，其产物视为实际气体。

采用实际空气状态方程计算气体压力和温度；

采用考虑熔化热和气化热的模型计算颗粒的温度。

颗粒间作用力形式如下：

ｆ０，ｒ＜ｋｍ

Ｐ２

２１Ｋ『乒一１］，｝≥‰

其中，Ｋ为颗粒材料体积模量；

导为颗粒堆积体积分数；

‰理论上为球颗粒的最大堆积密度，在实际应用中根据

需要可以进行修正。

与对流换热相比，辐射换热是不可忽略的。

当Ｒｅ，＝

ｉ

８５０～２２１６时，对流换热与辐射换热基本相当。

因此，两

相间传热除考虑对流传热外，还考虑了辐射传热。

辐射传

热可按照斯蒂务玻尔兹曼定律确定：

口ｒ＝ｅ∥ｏ（Ｂ一砖）

其中，￡。

为颗粒表面灰度，ａｏ为斯蒂芬一玻尔兹曼常数５．６７

×

ｌＯ．８Ｊ／（Ｓ・ｎ１２・Ｋ４）。

在不考虑化学反应的条件下，考虑质量传递及其相关效应后，两相流体动力学方程如下：

望箜塑；

ａＲａｚ

。

ｙ

…

对气相，有：

ｑＰ，９｝Ｄ１蛳

Ｆ＝

卵１研

声ｔ

９ｐｌ蛐

Ｇ＝

驴（Ｐ１＋ＪＤｌｌ‘ｉ）

９Ｐ１“ｌ研

驴（Ｅｌ＋Ｐ１）“１

卵ｌｔ，ｌ

Ｈ＝

卵１Ｕｌ铆垆（Ｐｌ＋ＩＤｌ胡）

妒（Ｅｌ＋Ｐ１）功理笋一疡２Ｒ

…。

趟Ｒ＋民一疡：

砌

妒一

经号竽＋Ｆｚ一，；

１２功Ｒ

……嫂芋血＋（ＦＲ“ｚ＋‰）＋Ｑｌｚ一

疬。

（吉遁＋ｉｌ码＋眈）

Ｅｌ＝虿Ｉｐ、“２・＋胡）＋歹Ｐｊｌ

对固相，有：

》２》２地

》２耽

乒ｚ

Ｎ

》２地

ｆ（Ｐ１＋Ｐ２＋ＩＤ２遁）

》２Ｕ２忱ｒ（Ｅ２＋Ｐｌ＋Ｐ２）ｕ２

Ｎｕ２

》２忱》２ｕｚｖｚ

ｆ（Ｐ１＋Ｐ２＋１０２胡）ｒ（Ｅ２＋Ｐ１＋Ｐ２）ｖ２

Ｎｖ２

逝Ｒ＋赢ｚ．

她Ｒ—Ｆｚ＋ｍ２耽

邋Ｒ—ＦＲ＋ｍ２地

ｒ

丛亘Ｌ上三｝她一（Ｒ“。

＋Ｆｚ口：

）一Ｑｌ。

＋

Ｒ

¨

＾¨

２。

‘。

吣７

飞“‘

ｍ‘２（吉谚＋—虿１码＋眈）

Ｎｕ２Ｒ

Ｅｉ＝百１Ｉ。

２（遁＋胡）＋晚

ｅ２＝虎Ｃｓ（Ｔ２一四）＋趣

式中ｏ

ｆ

５鲁２Ｎ警，３，９二１一ｒ

ＦＲ一告脚１

如一勘等墨产

ｌⅥ一％Ｉ（甜・一蚴），

Ｆｚ一｛ＮｎＣｏｐｌｕ一％ｌ（ｔ，ｌ一忱）户

ｒＣｌ｝’，０．９２≤９＜１

Ｃｏ：

．｛＠，ｏ＜妒≤ｏ．５５

Ｌ

Ｉ盟堕血型竺鱼丑盟型，０．５５＜９＜０．９２

ｏ．３７

’

、ｒ、

＠＝南（１．７５＋掣）

谚’＝凳＋为＋ｏ．４２

恐：

绝！

！

坠＝坠Ｉ

卢ｌ

Ｖｌ一％Ｉ＝Ｅ（“１一Ｕ２）２＋（铆一让）２］１／２

Ｑ１２＝２丌ＮｋＮ。

（Ｔｌ—Ｔ２）ｒ＋与ｒ。

（研一弼）

Ｎ：

＝２＋０．６Ｐｒ０‘３３Ｒｅｏ・５

上面各式中的符号意义如下：

ＦＲ、兄分别为与两相

介质之间径向、轴向动量交换有关的驱动力项；

』Ｄ为两相介质中的密度；

“、口分别为两相介质中的径向、轴向粒子速度；

Ｐ为两相介质中的压力；

Ｅ为两相介质中单位体积的总能量；

妒为两相混合物中气体占有的体积比；

善为两相混１９５

合物中粒子占有的体积比；

Ｑ为两相之间的热交换；

Ｎ为

单位体积中的粒子数目；

ｒ为粒子的平均半径；

五为固体粒

子本身的密度；

ｋ为气体的热传导系数；

Ｍ为Ｎｕｓｓｅｌｔ数；

Ｔ为两相介质中的温度；

Ｊ￡ｌ为两相介质中的粘性系数；

Ｃｏ为阻力（驱动力）系数；

Ｃｓ为固体粒子的比热；

Ｐｒ为Ｐｒａｎｄｔｌ数；

Ｒｅ为Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数；

ｙ气相的有效绝热指数；

Ｌ为气体蒸发热。

３并行算法设计

对上述控制方程组采用有限差分方法进行求解，因为考虑了物质问质量、能量等的转换，计算复杂，所需数值模拟时间步长很小，因此计算量很大，串行算法无法完成，我们采用了并行计算。

首先是对物理的计算区域的划分。

对于并行计算来说，通信量与（内）子区域边界的网格点数成比例，即与子区域“周界线”长度成比例。

因此划分成正方形子区域可得到最小通信量。

条状（或一维）划分使子区域产生长边界，但最多与两个子区域相邻。

块状（或二维）划分使子区域的边界较短，但却有多达４个相邻子区域。

因而块状划分使总通信量最小，而条状划分使消息数最少。

在我们的模型中，计算区域宽度不大但非常细长，因此每一次的通信量不是很大，通信时消息启动时间将在每条消息通信时间占主导地位，因此条状划分对我们来说是最有利的。

我们采用了沿Ｚ方向的一维划分，并考虑边界条件对负载平衡的影响，适当减小包含边界的两个分区的大小。

其次是子区域之间的数据通信，在有限差分算法中，每一个网格上的场分量新的迭代值依赖于该节点前一时间步的值及其四周邻近节点前—个时间步的值。

因此各子区域之间边界点需进行数据通信。

由于在Ｆｏｒｔｒａｎ语言中，矩阵在内存中是按列存放的，因此需要发送和接收的数据在原来的矩阵表示中是很分散的，如果直接传输，只能以一个向量为单位发送和接收。

为了减少通信的开销，我们使用了ＭＰＩ的“ｄｅｒｉｖｅｄ

ｔｙｐｅ

ｄａｔａ＂，即把分散的数据定义成一种新的数据类型，可以称之为—个矩阵、一次发送，提高了效率。

在江南计算机研究所的神威系列机上，以３２个ＣＰＵ的计

算时间为基数进行测试比对，网格为６８×

７２５时，其加速比和效率如表ｌ所示。

结果表明，本文的并行计算显示出了较高的加速比和计算效率。

表１并行程序的加速比和效率

４计算实例结果分析

在上述物理模型中，取密闭窄间半径为０．１３２ｍ，高为１．４２ｍ，爆炸驱动源初始压力分布及颗粒堆积结构如图２ａ和图２ｂ所示。

图２为冲击波传播的气体压力等值线和相应时刻颗粒密度等值线图，其中奇数幅为压力等值线，偶数幅为相应时刻颗粒密度等值线，由此可以看到冲击波在密闭空间内的

】９６

传播以及砂粒气化的过程。

图２气体压力等值线和相应时刻颗粒密度等值线图图３为总质量、气体质量及颗粒质量随时间的变化情况。

从图３中可以看出，总质量守恒情况较好，最大误差为一１．７１％。

由于气体温度很高，会超过颗粒的汽化温度，此时，可能会发生颗粒汽化的现象，即颗粒向气体之间的质量传递，因此颗粒的质量下降，而气体的质量相应地上升。

由于部分砂墙质量转变为气态，相应地这部分质量具有的能量也转移到气体中，使得气体的增大。

而同时气体高温向砂墙传递能量（未使砂墙汽化）引起气体能量减少，图４是这一过程的综合体现。

图３总质量、气体质量及颗粒质量随时间的变化

图４总能量、气体能量及颗粒能量随时间的变化

图５空间壁面Ｚ方向上某些固定点压力随时间的变化

图５给出了密闭空间壁面Ｚ方向上一些固定点的压力随时间的变化。

可看出随着冲击波的传播，压力在大幅度地衰减，说明砂墙对冲击波具有一定的消波吸能作用。

（下转第２５２页）

程探测服务的配置。

用户通过远程虚拟终端定制基于ＨＰＶＺ独立运行环境的远程探测服务，这是远程开发、编译和程序加载等的基础。

图５使用ＮＰＣＣ重要环节的操作

（２）监控远程计算资源和作业状态。

图５ｂ是基于远程探测提供的ｓｓｈ连接服务监控远程计算资源的视图，资源分几种状态：

Ｕｎｋｏｗｎ、Ｕｐ、Ｄｏｗｎ、Ａｌｌｏｃａｔｅｄ。

图５ｂ中显示的是４个Ａｌｌｏｃａｔｅｄ状态的计算结点。

同时还提供了对所加载程序（作业）运行情况的监控。

图５ｂ中包括两个运行态作业ｊｏｂ［１１６５，１１６６］；

三个取消状态作业ｊｏｂ［１１６２，１１６４３；

超时态作业ｊｏｂｌｌ６０、等待状态作业ｊｏｂｌｌ６７和运行终止状态作业ｊｏｂｌｌ５９各一个。

（３）开发应用程序。

图５ｃ是云应用程序开发的基本配置图，此处指定应用程序的类型，存储位置等并在此基础上编写应用程序代码。

目前ＮＰＣＣ主要支持对ｃ／ｃ＋＋／Ｆｏｒｔｒａｎ语言类应用程序的开发。

（４）应用程序配置、加载。

在图５ｄ中，首先指定ＮＷＡ：

应用程序的编译服务和程序分析服务等。

然后根据图５ｂ中资源的可用情况等。

配置加载应用程序（作业）的各项参数，包括配置资源管理器、作业进程数、运行时间上限、执行文件路径和可扩展调试器等参数

４结束语

云计算在学术界受到广泛关注，ＨＰＣ目前是云的主要计算基础设施之一。

针对目前云平台服务（ＰａａＳ）存在的问题，本文提出了面向云计算的网络化平台，并对其进行了设计实现。

ＮＰＣＣ的主要优点集中体现在如下三个方面：

（１）ＮＰＣＣ采用了ＨＰＣ虚拟化技术，改变了传统ＨＰＣ的共享服务方式，通过环境隔离技术保证一个虚拟化计算环境中的误操作不会影响其他用户的正常运行，从而有效提高了系统的信息安全性和服务可用性；

（２）ＮＰＯＣ改变了传统的基于命令行的云计算ＰａａＳ服务模式，向云用户提供了友

好、高效的集成开发环境；

（３）ＮＷＡ２采用开放框架结构，支

持动态服务开发和各种增强插件的集成，并具有良好的跨平台特性，给用户提供了一种全新的ＨＰＣ使用模式，有助于更好地向云用户提供ＰａａＳ型云平台服务。

参考文献：

［１］李伟。

徐志伟，唐志敏．等．国家高性能计算环境的设计与实

现［ｃ］／／８６３计划智能计算机会议论文集，北京：

清华大学出

版社，２００１：

４６—５６．２５２

［２］

Ｎｕｒｍｉ

Ｄ，ＷｏｌｓｋｉＲ，ＧｒｚｅｇｏｒｅｚｙｋＣ，ｅｔａ１．ＴｈｅＥｕｃａｌｙｐｔｕｓ

ＯｐｅｎｓｏｕｒｅｅＣｌｏｕｄ－ＣｏｍｐｕｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍ［ｃ］／／Ｐｒｏｃ

ｏｆＣｌｏｕｄ

Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇａｎｄ

ＩｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．２００８．

［３］ＢｕｙｙａＩＬＭａｒｋｅｔ—ＯｒｉｅｎｔｅｄＣｌｏｕｄＣｏｍｐｕｔｉｎｇ：

Ｖｉｓｉｏｎ，Ｈｙｐｅ，

ａｎｄＲｅａｌｉｔｙｆｏｒＤｅｌｉｖｅｒｉｎｇＩｔＳｅｒｖｉｃｅｓ

ａｓ

ｏｍｐｕｔｉｎｇｕｔｉｌｉｔｉｅｓ［Ｃ］

／／Ｐｒｏｃ

ｏｆＣｏＲＲ’０８，２００８．

［４］陈康，郑纬民．云计算：

系统实例与研究现状［Ｊ］．软件学报，

２００９，２０（５）：

１３３７－１３４８．

［５］Ｙｏｕｓｅｆｆ

Ｉ。

，ＢｕｔｒｉｃｏＭ，ＳｉｌｖａＤＤ．Ｔｏｗａｒｄ

ａ

ＵｎｉｆｉｅｄＯｎｔｏｌｏｇｙ

Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ［Ｃ］／／ＰｒｏｅｏｆＧｒｉｄＣｏｍｐｕｔｉｎｇＥｎｖｉｒｏｎ—

ｍｅｎｔｓＷｏｒｋｓｈｏｐ，２００９：

１—１０．

［６］ＬＵＫａｉ，ＣＨＩＷａｎｑｉｎｇ，ＬＩＵＹｏｎｇｐｅｎｇ。

ｅｔａＬＨＰＶＺ：

ＡＨｉｇｈ

ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＶｉｒｔｕａｌ

ＣｏｍｐｕｔｉｎｇＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｆｏｒＳｕｐｅｒＣｏｍ—

ｐｕｔｅｒｓ［－Ｃ］／／ＰｒｏｅｏｆＡＰＰＴ’０９，２００９．

［７］

ＦｏｓｔｅｒＩ，ＺｈａｏＹ，ＲａｉｅｕＩ，ｅｔａＬＣｌｏｕｄＣｏｍｐｕｔｉｎｇ

ａｎｄＧｒｉｄ

Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ３６０－ＤｅｇｒｅｅＣｏｍｐａｒｅｄ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｏｆＧｒｉｄＣｏｍｐｕ—

ｔｉｎｇ

Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ

Ｗｏｒｋｓｈｏｐ・２００８：

ｌ一１０．

［８］ＣａｍｐｂｅｌｌＲ，ｅｔａ１．ＯｐｅｎＣｉｒｒｕｓＴＭＣｌｏｕｄＣｏｍｐｕｔｉｎｇ

Ｔｅｓｔ—

ｂｅｄ：

ＦｅｄｅｒａｔｅｄＤａｔａＣｅｎｔｅｒｓｆｏｒＯｐｅｎＳｏｕｒｃｅＳｙｓｔｅｍｓａｎｄＳｅｒｖｉｃｅｓＲｅｓｅａｒｃｈ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｏｆＷｏｒｋｓｈｏｐ

ＨｏｔＴｏｐｉｅｓｉｎ

Ｃｌｏｕｄ

Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，２００９．

［９］李伟，徐志伟，唐志敏，等．国家高性能计算环境的设计与实

现Ｅｃ］／／８６３计划智能计算机会议论文集，２００１：

４６—５６．

［１０３陈贵海，李振华．对等网络：

结构、应用与设计［Ｍ］．北京：

清

华大学出版社，２００６．

［１１］Ｔｈｉｃｋｉｎｓ

Ｇ．Ｕｔｉｌｉｔｙ

Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ：

Ｔｈｅ

ＮｅｘｔＮｅｗＩＴＭｏｄｅｌ

［Ｊ］．Ｄａｒｗｉｎ

Ｍａｇａｚｉｎｅ，２００３．

［１２］卢锡城，王怀民，王戟．虚拟计算环境ｉＶＣＥ：

概念与体系结

构［Ｊ］．中国科学Ｅ辑，２００６，３６（１０）：

１０８１—１０９９．（上接第１９６页）

５结束语

从上面的结果分析可以看出，本文的计算结果反映出了爆炸后冲击波在密闭空间的传播、反射；

在爆炸高温气体作用下，颗粒吸热升温、汽化，发生能量和质量的转换等过

程；

物理图像合理，颗粒对爆炸冲击波确实具有一定的消波吸能作用。

但是，计算中的两相热交换所涉及到的一些系数为一些经验值，还需进一步调试改进。

此处，关于强源项的流体力学方程的求解方法是人们一直在探讨研究的难题，我们的算法相对比较简单，也需迸一步改进、完善。

［１］范宝春，霄勇，姜孝海．激波与堆积粉尘相互作用的数值模

拟口］．爆炸与冲击，２００２，２２（３）；

２１６—２２０．

［２］洪滔，秦承森．爆轰波管中铝粉尘爆轰的数值模拟口］．爆炸

与冲击。

２００４。

２４（３）：

１９３—２００．

［３］赵绪新，钱诗智，陆继东．气固流化床中流动特性的数值模拟

口］．深圳大学学报（理工版）。

２０００，１７（１）：

８０—８４．

［４］洪滔，秦承森．爆轰波管中铝粉尘爆轰的数值模拟ＥＪ］．爆炸

与冲击，２００４，２４（３）：

［５］赵绪新，钱诗智．陆继东．气固流化床中流动特性的数值模拟

［Ｊ］．深圳大学学报（理工版），２０００，１７（１）：

８０－８４．