[发明专利]一种基于格子Boltzmann理论CPU/MIC协同计算的大涡模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机应用技术领域,具体地说是一种基于格子Boltzmann理论CPU/MIC协同计算的大涡模拟方法。

背景技术

MIC(Many Integrated Core)是Intel公司推出的众核处理器，跟通用的多核至强处理器相比，MIC众核架构具有更小的内核和硬件线程，众核处理器计算资源密度更高，片上通信开销显著降低，更多的晶体管和能量，能够胜任更为复杂的并行应用。Intel MIC产品基于X86架构，基于重核的众核处理器，包含50个以上的核心，以及512bit的向量位宽，双精性能超过1TFlops。

MIC拥有极其灵活的编程方式，MIC卡可以作为一个协处理器存在，也可以被看作是一个独立的节点。基本的MIC编程模型是将MIC看作一个协处理器，CPU根据程序的指令，将一部分代码运行在MIC端。此时存在两类设备，即CPU端和MIC众核协处理器端。

大涡模拟,英文简称LES(Large eddy simulation),是近几十年才发展起来的一个流体力学中重要的数值模拟研究方法。它区别于直接数值模拟(DNS)和雷诺平均(RANS)方法。其基本思想是通过精确求解某个尺度以上所有湍流尺度的运动，从而能够捕捉到RANS方法所无能为力的许多非稳态、非平衡过程中出现的大尺度效应和拟序结构，同时又克服了直接数值模拟需要求解所有湍流尺度而带来的巨大计算开销的问题，因而被认为是最具有潜力的湍流数值模拟发展方向。由于计算耗费依然很大，目前大涡模拟还无法在工程上广泛应用，但是大涡模拟技术对于研究许多流动机理问题提供了更为可靠的手段，可为流动控制提供理论基础，并可为工程上广泛应用的RANS方法改进提供指导。LES算法过程如图1所示。

LBM是计算流体力学领域内一种不同于传统数值方法的建模和计算方法，是对Boltzmann方程的一种特殊的离散格式的求解。求解过程是时间推进式的，并且求解过程具有良好的区域性，所以特别适合并行求解。

一般对Lattice Boltzmann方程求解，可以分解为两部分：

1）碰撞项：

              （1）

2）迁移项：

                             （2）

其中，表示粒子离散速度的不同方向，表示离散节点的位置，为离散速度方向的粒子分布函数，为时间步长。为离散方向上粒子的速度。为粒子碰撞更新后的平衡分布函数，表示松弛时间，计算公式为：

                                 （3）

其中为特征速度，为特征长度。为雷诺数，为流体力学中惯性力与粘性力的比值，在算例中为给定的值；

图2所示的LBM的D2Q9模型中，平衡分布函数具体定义下：

                   （4）

其中,,，在每个格点中都有9个不同方向的平衡分布函数。格点上的宏观变量如密度、压强、速度等都可以由分布函

数得到，具体计算式为：     

                             （5）

其中为声速；

边界条件的处理方法在LBM 的应用中对数值精度和计算的稳定性都有着极大的影响。在本算法中，采用非平衡外推边界条件方法来处理固壁边界条件。其基本思想是将固壁边界格点上的未知分布函数分解为平衡态和非平衡态两部分，然后利用一阶精度的外推格式得到非平衡部分。该格式可以表示为：

   　               （6）

其中，分别表示真实边界上的格点和紧邻的流体格点外的分布函数，

，分别为相应的平衡态分布。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于格子Boltzmann理论CPU/MIC协同计算的大涡模拟方法。

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于格子Boltzmann理论的大涡模拟的高效方法，能够基于MIC众核架构并且使用CPU+MIC协同计算的快速大涡模拟。

包括采用LBM方法的大涡模拟方法、CPU端、MIC众核协处理器端以及CPU+MIC协同计算模式，其中：

CPU端负责将要进行大涡模拟的网格数据分割，向MIC卡传递大涡模拟所需要的值，CPU+MIC协同计算模式的框架搭建以及任务调度和参数初始化工作，而且在整个网格的计算任务中，CPU也会以Openmp多线程模式，依次通过迁移碰撞，边界处理的多次迭代获取得速度、密度和流函数的宏观参量；