[发明专利]水力瞬变数值模拟方法

摘要

本发明提供一种水力瞬变数值模拟方法，能够有效地提高计算效率，其特征在于：主机端CPU负责逻辑运算；设备端GPU负责计算各断面的水力参数计算和更新；内核函数都以线程栅格的形式组织，组织形式为一维线性结构，每个线程对应一个计算断面，各断面的索引tx由线程所在块和块内位置唯一确定；边界函数由GPU或CPU计算；将内核函数运算结果先存储在寄存器中，循环结束后再将结果写入全局存储器中，最后复制回主机端；采用统一寻址方式，对压力和流量数组进行内存分配；当内核函数调用时，通过线程索引在数组中定位断面号，以获取相应断面压力、流量值进行计算，更新的水力参数值分别存储在已分配储存空间的另外两个数组中。

主权项

1.一种水力瞬变数值模拟方法，其特征在于，包括：(一)并行实现策略主机端CPU负责逻辑运算，准备初始压力和流量数据，进行边界处理，将初始压力和流量数据复制到显存中、调用内核函数；设备端GPU负责计算各断面的水力参数计算和更新，内核函数调用完成后将处理好的流量fq[i]和水头fh[i]数据传回到主机端内存中，作为下一时间步的输入数据；(二)GPU计算内核函数内核函数都以线程栅格的形式组织，内核函数线程结构的组织形式为一维线性结构，与管道的线形结构相匹配，计算时将管道划分为若干个计算断面，每个线程对应一个计算断面，每个线程的索引号与一个计算断面的编号相一一对应，各断面的索引tx由线程所在块和块内位置唯一确定，内核函数按照如下公式1至5编写：C_p＝H_A+BQ_A B_P＝B+R|Q_A|，    (公式3)C_M＝H_B‑BQ_B B_M＝B+R|Q_B|，     (公式4)式中，下标P代表需要求解的计算断面的值，下标A代表断面P左边相邻计算断面的上一时刻的值，下标B代表断面P右边相邻计算断面的上一时刻的值，H、Q分别为测压管压力和流量，B为管道特性阻抗，R为管道阻抗系数，a为水锤波速，f为摩阻系数，Δx为空间分段长度，D为管道直径，A为管道面积，g为重力加速度，系数C_P、B_P、C_M、B_M为中间变量；断面A和B的压力流量为已知，断面P的压力流量值通过公式1至5求解；(三)边界函数边界函数由GPU或CPU计算：当边界由GPU计算时，将系统所有管道当作一条长管道，统一分配连续的线程索引，所有节点的计算均在GPU上进行；当边界由CPU计算时，由边界将管道系统划分成多根管段，每个管段单独设置线程索引，节点均在CPU上计算，然后再传递到GPU上；(四)程序优化策略将内核函数运算结果先存储在寄存器中，循环结束后再将结果写入全局存储器中，最后复制回主机端；(五)编程步骤采用统一寻址方式，对压力和流量数组进行内存分配；当内核函数调用时，通过线程索引在数组中定位断面号，以获取相应断面压力、流量值进行计算，更新的水力参数值分别存储在已分配储存空间的另外两个数组中，计算完成后，将计算结果复制回主机内存中，作为下一时步的输入数据。