水质模拟方法、系统与水污染监测分析装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供水质模拟方法、系统与水污染监测分析装置，无需迭代计算，能够有效地提高计算效率，可快速准确模拟预测水污染演变过程。水质模拟方法包括：(一)一维与二维水质模型的耦合策略：通过一维水质模型与二维水质模型耦合得到一维二维耦合水质模型，基于微观层面，通过分布函数来处理一维和二维模型耦合计算的交界面；将耦合界面视为一维计算域中的一个内部节点；首先计算该节点的未知分布函数，其次由分布函数计算其宏观量浓度，最后求解该处二维边界的未知分布函数；(二)一维二维耦合水质模型的GPU并行实现；(三)并行模型优化策略：计算过程将二维模型的计算数据存放于共享存储器上，将对全局内存的访问换成对共享内存的访问。访问。访问。

【技术实现步骤摘要】
水质模拟方法、系统与水污染监测分析装置


[0001]本专利技术属于水动力学领域，具体涉及一种水质模拟方法、系统与水污染监测分析装置。

技术介绍

[0002]数值模拟手段是突发水污染问题研究的基础，它既高效且低成本，在水环境规划和治理中发挥着重要的作用。然而水污染模拟呈现范围广、历时长、精度高、实时性要求高等特点，具体表现如下：(1)计算流域尺度大，计算网格数量多。二维或三维水质模拟计算网格数量轻易达到几百万甚至上千万，普通CPU计算效率低，需耗时几天甚至几周，给模型率定带来很大困难，使得分析人员不得不减小计算规模，将网格划分更粗，导致结果可靠性降低。甚至有的设想及理论因计算量过大而无法展开。(2)计算历时长，计算时间步数多。如某地区镉污染事故中，镉泄漏发生于1月15日，1月29日污染物才到达水源保护地，污染物传播历时长达半月之久。(3)模型参数不确定，参数率定和敏感性分析需要多次计算。(4)系统方案优化、事故和事件处置方案决策等需进行多方案对比计算。(5)运行系统实时仿真、突发水污染应急等需高效模拟以迅速反应与决策。
[0003]以上充分反映了水污染模拟对高效计算的迫切需求，如何在现有软硬件基础之上，提高计算速度缩短计算时间成为一个客观现实的问题。近年来有不少水力学研究者在提高模型的计算效率方面开展了大量研究工作，主要集中于两个方向，一是对算法进行改进或探索计算效率更高的新方法，二是借助高效的计算设备实现并行计算。
[0004]第一种途径通过改进模型和采用新方法提升的效率有限，无法满足实际工程对计算效率的需求。随着并行计算技术逐渐成熟，加速效果越发显著，第二种途径成为主要提升效率的手段。最初是应用CPU并行计算集群求解大规模水动力学问题，使计算速度有了较大的提高。但CPU集群一般规模较大，不便于移动，且使用代价高昂，不利于推广应用。而且，随着研究的不断深入，CPU集群的性能逐渐无法完全满足高效和高精度计算的需求。因此，计算能力更强的GPU开始进入研究者的视野，其浮点运算能力达到同时代CPU的10倍以上，运算速度比标准CPU快一个数量级。比如一块NVIDIA Tesla K20显卡的计算能力与4个16核CPU的计算能力相当，且其价格更便宜。
[0005]现有的一、二维子模型的耦合方式均是基于宏观参数的，常用方法包含采用另一子模型前一时步的值求解和预测校正法。其中前者由于相互提供的边界值是滞后的，易引起质量或动量的不守恒。后者需要通过迭代计算不断修正耦合边界值，能够完全满足质量和动量的守恒，但迭代次数多，计算量大。特别是利用隐式方法求解时，由于每次迭代需要进行一次整体计算，完成一个时步的计算可能需要若干次迭代，使得计算量巨大，计算效率很低。

技术实现思路

[0006]本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种水质模拟方法、系统与
水污染监测分析装置，无需迭代计算，能够有效地提高计算效率，可快速准确模拟预测河
‑
湖
‑
库系统水污染演变过程。
[0007]本专利技术为了实现上述目的，采用了以下方案：
[0008]<方法>
[0009]本专利技术提供一种水质模拟方法，其特征在于，包括：
[0010](一)一维与二维水质模型的耦合策略
[0011]通过一维水质模型与二维水质模型耦合得到一维二维耦合水质模型，基于微观层面，通过分布函数来处理一维和二维模型耦合计算的交界面；将耦合界面视为一维计算域中的一个内部节点；首先计算该节点的未知分布函数，其次由分布函数计算其宏观量浓度，最后求解该处二维边界的未知分布函数；如图1所示，耦合界面处二维计算域向一维计算域传递的分布函数只有一个，未知分布函数的求解见公式1～3：
[0012][0013][0014][0015]式中，g
i
(k,j)、g
ieq
(k,j)分别为i方向的粒子分布函数和局部平衡态分布函数，F
i
表示i方向上的外力项，其中i＝0，1，2，表示一维计算域粒子速度方向；f2(m+1,j
‑
1)、f
2eq
(m+1,j
‑
1)分别为二维计算域中速度矢量2方向的粒子分布函数和局部平衡态分布函数；k、m表示不同节点；j表示时间；是m+1上的平均值；t表示松弛时间；F0＝0；S
c
＝
‑
KC+S0，K为污染物衰减系数，S0为源和汇项，C表示空间某节点某时刻物质的浓度；
[0016]宏观参数浓度求解公式如下：
[0017]C(k,j)＝g1(k,j)+g2(k,j)+g0(k,j)
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0018]耦合界面处二维边界未知分布函数f1求解采用非平衡态外推格式，由公式5计算，二维下游边界未知分布函数f2通过公式6计算，其他边界条件采用无滑移速度边界；
[0019]f1(m,j)＝f
1eq
(m,j)+f1(m+1,j)
‑
f
1eq
(m+1,j)
ꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0020]f2(m+n,j)＝f
1eq
(m+n,j)+f1(m+n
‑
1,j)
‑
f
1eq
(m+n
‑
1,j)
ꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0021]式中，n为二维计算域沿x轴方向划分网格总数；
[0022](二)一维二维耦合水质模型的GPU并行实现
[0023]一维二维耦合水质模型采用的并行策略是不同维度模型的并行计算相互独立，耦合界面均由CPU处理；该耦合水质模型中涉及2个子模型：一维水质模型、二维水质模型；一、二维模型中均是一个线程负责一个节点的计算，每个节点都要进行碰撞、迁移和宏观量计算三个步骤，边界节点需要进行边界处理；
[0024]对于一维并行计算模型，为减少频繁启动核函数的开销，采用两个核函数完成其并行计算，其中节点的碰撞、迁移和边界处理三个步骤由一个核函数完成，分布函数的更新和宏观量计算由一个核函数处理；对于二维并行计算模型，为提高代码的可读性与简洁性，采用4个核函数分别依次执行碰撞、迁移、边界处理和宏观量计算四个步骤；
[0025]耦合内边界作为连接一维与二维计算模型的桥梁，其数据由CPU提前准备，然后被传递给一维计算的核函数；耦合内边界在处理时被视为一维计算域的最后一个节点，它由一维计算模型完成计算；更新后的结果作为下一时步的输入数据传递给二维边界处理核函数；由于子模型的并行计算相互独立，需要采用同步函数cudaDeviceSynchronize()来保证该时步内所有的线程全部完成计算；
[0026](三)并行模型优化策略
[0027]耦合水质模型的并行优化主要针对二维模型，其计算量占总体的绝大多数；计算过程将二维模型的计算数据存放于共享存储器上，将对全局本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.水质模拟方法，其特征在于，包括：(一)一维与二维水质模型的耦合策略通过一维水质模型与二维水质模型耦合得到一维二维耦合水质模型，基于微观层面，通过分布函数来处理一维和二维模型耦合计算的交界面；将耦合界面视为一维计算域中的一个内部节点；首先计算该节点的未知分布函数，其次由分布函数计算其宏观量浓度，最后求解该处二维边界的未知分布函数；耦合界面处二维计算域向一维计算域传递的分布函数只有一个，未知分布函数的求解见公式1～3：只有一个，未知分布函数的求解见公式1～3：只有一个，未知分布函数的求解见公式1～3：式中，g
i
(k,j)、g
ieq
(k,j)分别为i方向的粒子分布函数和局部平衡态分布函数，F
i
表示i方向上的外力项，其中i＝0，1，2，表示一维计算域粒子速度方向；f2(m+1,j
‑
1)、f
2eq
(m+1,j
‑
1)分别为二维计算域中速度矢量2方向的粒子分布函数和局部平衡态分布函数；k、m表示不同节点；j表示时间；是m+1上的平均值；t表示松弛时间；F0＝0；S
c
＝
‑
KC+S0，K为污染物衰减系数，S0为源和汇项，C表示空间某节点某时刻物质的浓度；宏观参数浓度求解公式如下：C(k,j)＝g1(k,j)+ g2(k,j)+ g0(k,j) (4)耦合界面处二维边界未知分布函数f1求解采用非平衡态外推格式，由公式5计算，二维下游边界未知分布函数f2通过公式6计算，其他边界条件采用无滑移速度边界；f1(m,j)＝ f
1eq
(m,j)+f1(m+1,j)
‑
f
1eq
(m+1,j) (5)f2(m+n,j)＝ f
1eq
(m+n,j)+f1(m+n
‑
1,j)
‑
f
1eq
(m+n
‑
1,j) (6)式中，n为二维计算域沿x轴方向划分网格总数；(二)一维二维耦合水质模型的GPU并行实现一维二维耦合水质模型采用的并行策略是不同维度模型的并行计算相互独立，耦合界面均由CPU处理；该耦合水质模型中涉及2个子模型：一维水质模型、二维水质模型；一、二维模型中均是一个线程负责一个节点的计算，每个节点都要进行碰撞、迁移和宏观量计算三个步骤，边界节点需要进行边界处理；对于一维并行计算模型，采用两个核函数完成其一维并行计算模型并行计算其中节点的碰撞、迁移和边界处理三个步骤由一个核函数完成，分布函数的更新和宏观量计算由一个核函数处理；对于二维并行计算模型，采用4个核函数分别依次执行碰撞、迁移、边界处理和宏观量计算四个步骤；耦合内边界作为连接一维与二维计算模型的桥梁，其数据由CPU提前准备，然后被传递给一维计算的核函数；耦合内边界在处理时被视为一维计算域的最后一个节点，它由一维计算模型完成计算；更新后的结果作为下一时步的输入数据传递给二维边界处理核函数；(三)并行模型优化策略
耦合水质模型的并行优化主要针对二维模型，计算过程将二维模型的计算数据存放于共享存储器上，将对全局内存的访问换成对共享内存的访问。2.根据权利要求1所述的水质模拟方法，其特征在于：其中，在(三)中，在主机端只申明一套数组，该套数组包含：4个分布函数数组，加一个标识数组，共5个数组；这些数组中数据传到设备端并存储于全局存储器中；在需要访问前、后时步数据的碰撞过程处理时，在设备端开辟共享内存，将需要访问的输入数据临时存放到共享内存中，空出原来的全局内存数组；碰撞处理过程只需访问共享内存，将作为更新值的输出数据存放于原来的全局内存数组中，完成对数据的更新。3.根据权利要求1所述的水质模拟方法，其特征在于：其中，在(一)中，一维水质模型与二维水质模型均为水质LBM模型。4.水质模拟系统，其特征在于，包括：耦合部，通过一维水质模型与二维水质模型耦合得到一维二维耦合水质模型，基于微观层面，通过分布函数来处理一维和二维模型耦合计算的交界面；将耦合界面视为一维计算域中的一个内部节点；首先计算该节点的未知分布函数，其次由分布函数计算其宏观量浓度，最后求解该处二维边界的未知分布函数；耦合界面处二维计算域向一维计算域传递的分布函数只有一个，未知分布函数的求解见公式...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟弯弯，路绪珩，彭永勤，张春泽，杨树青，刁伟，秦嘉楠，徐启航，
申请(专利权)人：重庆西科水运工程咨询有限公司，
类型：发明
国别省市：