[发明专利]一种连铸结晶器传热与铸坯凝固并行计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种连铸结晶器传热与铸坯凝固并行计算方法，属于炼钢连铸技术领域。

背景知识

实际生产中铸坯的表面质量缺陷通常在结晶器内部即已产生，实时监测并控制结晶器与铸坯真实的传热状况，以选取最优工艺参数，是提高铸坯质量和生产率的重要手段。连铸结晶器传热与铸坯凝固数值模拟具有计算量大、耗时长的特点，由于传统的串行计算方法在计算速度和时间等方面的限制，已很难满足在线监控对数值模拟的实时性要求。因此，开发快速、高效的结晶器传热与铸坯凝固计算方法，可显著提高结晶器在线监控水平，在工艺优化、铸坯质量预测等方面发挥重要作用，具有很好的理论意义及工程实用价值。

随着多核技术的发展，并行计算及并行编程成为人们关注的焦点。并行计算通过协同若干处理器进行并行工作，可以有效解决大规模计算时间过长的问题，特别适用于实时性要求较高的数值模拟和过程在线监控，有着极大应用潜力，。

现有的关于提高结晶器传热计算速度的专利和文献很少。根据已公布的少数资料，其一，发表于《计算机工程与设计》(2005年第26卷第2期)的文献“基于MPI的连铸模拟并行计算”，提出在cluster并行计算环境下基于消息传递的并行模拟算法。其二，发表于《铸造》(2007年第56卷第7期)的文献“MPI并行计算在金属凝固温度场模拟中的实现”，利用基于windows异构机群平台的MPI并行编程方式对金属凝固过程温度场模拟串行算法进行数据域分块的方法并行化。其三，发表于《热加工工艺》(2009年第1期)的文献“并行计算应用于连铸结晶器传热数值模拟”，搭建了分布式并行计算机机群，采用并行计算求解连铸结晶器的传热行为，并对其构造与实现方法进行研究。上述文献所提及的并行计算方法，均是基于MPI的消息传递并行机模型。虽然该方法具有较好的可移植性和可扩展性，但该模型应用在多机分布式环境中，搭建平台复杂，成本较高；而且各个机器在进行独立计算之前必须进行数据传递，由此带来通信耗时，影响计算速度和并行加速比。

发明内容

本发明提出一种连铸结晶器传热与铸坯凝固并行计算方法，将连铸结晶器传热数值模拟与并行计算技术结合，通过OpenMP并行编程编制结晶器传热与铸坯凝固并行计算程序，并根据负载均衡原则对计算区域进行划分，利用单台多核计算机对结晶器传热和铸坯凝固过程进行并行计算，解决现有结晶器传热计算效率较低、耗时过长的问题。

本发明采用的技术方案是：一种连铸结晶器传热与铸坯凝固并行计算方法，将连铸结晶器传热数值模拟与并行计算技术结合，利用单台多核计算机，对结晶器传热和铸坯凝固的行为进行并行计算，具体步骤如下：

1)依据有限差分法原理，建立结晶器传热与铸坯凝固数值计算模型；

2)基于C++语言，采用OpenMP进行多核程序设计，编制结晶器传热和铸坯凝固并行计算程序；

3)对结晶器传热和铸坯凝固的计算区域进行划分，根据负载均衡原则，使各区域具有相同的计算量，并将计算任务均匀分配至单台多核计算机的每个CPU，使每个并行计算区域的任务计算时间相同或相近；

4)将连铸生产条件和工艺参数输入结晶器传热计算模块，利用单台多核计算机对结晶器传热和铸坯凝固的行为进行并行计算；

5)根据需要，对结晶器温度、铸坯温度和热流分布等计算结果进行显示。

本发明的有益效果为：

(1)简单易实现。连铸技术人员无须具备与高性能并行计算相关的技术细节，只需确定原串行算法程序中哪些部分需要并行化，即可对数据区域分解成块，进行并行计算。

(2)低投资。多核计算机日益普及，单机已能够满足计算要求，无需再构建复杂的并行机计算机群，节约成本，

(3)实用可扩展。该方法面对连铸结晶器传热在线计算，也可适用于其他有实时性要求的工程应用，加快计算效率。而随着多核计算机的发展，可灵活划分并行计算的区域，最大限度有效地利用多核技术。

附图说明

图1是串行情况下的结晶器/铸坯传热计算流程图。

图2是结晶器、铸坯网格划分和计算区域划分示意图。

图3是利用OpenMP技术实现区域并行化的结晶器/铸坯传热计算流程图。

图4是并行计算结果，结晶器热面温度分布云图。

图5是并行计算的结果，铸坯表面温度分布云图。

图6是并行计算结果，结晶器/铸坯界面面热流分布云图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明连铸结晶器传热与铸坯凝固的并行计算方法进行详细的说明。具体实施步骤如下：