[发明专利]基于GPU的全局物态方程参数生成方法

说明书

技术领域

本发明示例性实施例总体上涉及材料全局物态方程仿真模拟领域，具体地，涉及一种基于图形处理单元(GPU)的材料全局物态方程参数的生成方法。

背景技术

物态方程是平衡态系统的温度、密度和物态参量之间的函数关系式，描述了在给定物理条件下物质的物态。因而，物态方程对于描述固态、液态、气态等各态物质非常重要，它也是求解连续介质力学方程组不可缺少的一部分。

物态方程参数可以通过实验或者数值模拟的手段获得。对于大范围的物态方程参数由于苛刻的条件是无法实验获得的，只能通过数值模拟计算得到。目前成熟的获得大范围物态参数的数值方法是基于QEOS(Quotidian Equation Of State)模型(参见，例如MORE R，WARREN K，YOUNG D，et a1.A new quotidian equation of state(QEO S)for hot dense matter[J].Physics of Fluids，1988，31(3059))。该模型将物态方程分成了三部分：电子、离子以及电子成键。该方法的优点是可以获得任意物理条件下的物态参数，而且相对比较准确；缺点是对于电子部分，由于需要求解Thomas-Fermi方程，需要耗费比较多的机时，尤其是当材料组分复杂的时候，求解Thomas-Fermi方程组将耗费大量的机时。而目前求解Thomas-Fermi方程组的实现以CPU为主，由于CPU计算能力不足直接影响到其计算效率，因此在可以接受的机时内只能计算很小的空间尺寸和时间尺寸；或者为了提高计算量可以建设大规模甚至超大规模的CPU计算机集群，但这样又会出现耗电量过大、使用和维护成本极高等问题，不利于快速有效的进行物态方程的模拟。

发明内容

本发明示例性实施例提出了一种基于GPU的全局物态方程参数生成方法，通过在一个或多个GPU上并行计算材料的各物态点各组分的物态量来得到全局物态参数。该方法包括以下步骤：

a、根据材料的物态点和组分，在至少一个GPU中分配多个线程，每个线程处理一个物态点下一种组分的Thomas-Fermi方程；

b、判断每个方程的处理结果是否满足边界条件，如果不满足，调整相应组分的原子半径，并返回步骤a进行迭代处理，直至满足边界条件；如果满足边界条件，计算每个物态点下每种组分的电离率；

c、根据材料的物态点数，在所述至少一个GPU中分配线程，每个线程判断一个物态点下的电荷是否守恒，如果不守恒，调整化学势，并返回a进行迭代处理，直至电荷守恒；如果电荷守恒，计算各物态点的电子部分的物态量；

d、根据材料的物态点数，在所述至少一个GPU中分配线程，每个线程计算一个物态点的离子部分的物态量；

e、在固体密度下零温和常温的物态点，根据电子部分与离子部分的压强数据计算材料的化学键修正参数；以及

f、根据材料的物态点数，在所述至少一个GPU中分配线程，每个线程计算一个物态点下的化学键修正部分，并与电子部分和离子部分的物态量相加，得到总物态量。

根据示例实施例，所述至少一个GPU包括进行并行处理的多个流处理器，每个流处理器对应一个线程。

根据示例实施例，步骤a中所分配的线程的数目等于材料的物态点数和组分数之积。

根据示例实施例，步骤a中处理Thomas-Fermi方程包括：在每个线程中将初始化学势及原子半径作为输入，采用二阶龙格库塔方法积分Thomas-Fermi方程，来求解零边界处的Thomas-Fermi势。

根据示例实施例，电子部分和离子部分的物态量均包括压强、内能和自由能。

根据示例实施例，步骤e中计算计算化学键修正参数包括：根据在常温、密度为固态密度的物态点下材料体模量与总压强的关系以及在零温、密度为固态密度的物态点下总压强为零，计算化学键修正部分的参数。

根据示例实施例，所述方法在步骤a之前还包括：初始化步骤，输入材料的信息，包括材料的物态点和组分，并利用输入的材料信息对GPU内存进行初始化。

根据示例实施例，在初始化步骤中还输入：材料的组分比例、各组分原子序数、原子量、物态点所对应的温度、密度以及材料常温固态的体模量，所述物态点至少包含密度为固体密度，温度分别为零温和常温的两个物态点。

根据示例实施例，在初始化步骤中还利用输入的材料信息对中央处理单元CPU内存进行初始化。