【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及计算流体力学领域，尤其涉及一种基于gpu并行颗粒碰撞检索的稠密气固两相反应流数值模拟方法及装置。
技术介绍
1、流态化是指固体颗粒在流体作用下呈现出与流体相似的流动性能的现象，它具有燃料适应性广、气固接触效率高、操作稳定性好等优点。稠密气固两相反应流广泛存在于工业实际中，如循环流化床锅炉、鼓泡流化床气化炉、化学链燃烧和炼铁高炉等。相对固定床而言，流化床具有气固接触效率高、化学反应速率强和污染物产量低等诸多优势，对于实现我国“碳达峰，碳中和”的战略目标具有重要意义。然而，稠密气固两相反应流系统由于存在复杂的多场(流动场、温度场、组分场)、多尺度(颗粒尺度、颗粒团尺度、反应器尺度)、多物理过程(气固流动、传热传质、均相反应、异相反应)的非线性耦合，传统实验方法受限于实验测量手段，对稠密气固两相反应流过程的深刻理解仍具有一定挑战。
2、随着计算机技术的发展，计算流体力学方法为充分全面理解稠密气固两相反应流系统中气固流动、传热传质以及化学反应之间的相互作用提供了一种有效的工具。计算流体动力学-离散单元方法(cfd-dem)基于欧拉-拉格朗日框架下，在欧拉框架下通过求解体积平均的navier-stokes方程描述气体相，在拉格朗日框架下通过求解牛顿第二定律描述颗粒相运动，可以追踪系统中的每一个颗粒，准确求解颗粒-颗粒/壁面碰撞，获得丰富的颗粒尺度信息(速度、位置、质量、温度等)，但由于其在颗粒碰撞检索方面需要巨大的计算量，极大地限制了其在稠密气固两相反应流领域的应用和发展。近年来，计算机图形处理器(gpu)发展迅
3、因此，基于gpu并行计算的稠密气固两相反应流中颗粒碰撞检索的数值模拟方法，进一步发展全面考虑气固流动、传热传质、均相反应、异相反应的多物理耦合的稠密气固两相反应流数值模拟方法，开展cfd-dem与gpu技术的融合研究，可以突破传统cfd-dem方法在计算资源方面的限制以及传统稠密气固两相反应流实验测量手段的限制，深入理解稠密气固两相反应流体系。
技术实现思路
1、本专利技术目的在于针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于gpu并行颗粒碰撞检索的稠密气固两相反应流数值模拟方法及装置，解决计算流体动力学-离散单元方法模拟稠密气固两相反应流系统难以全面求解多物理耦合过程以及在颗粒碰撞检索方面需要巨大计算量的不足，利用gpu的多线程并行特性，将cfd-dem方法与gpu技术相结合，发展基于gpu并行计算的稠密气固两相反应流中颗粒碰撞检索的数值模拟方法，并全面考虑稠密气固两相反应流系统中的气固流动、传热传质、均相反应和异相反应。
2、本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：第一方面，本专利技术提供了本专利技术提出了一种基于gpu并行颗粒碰撞检索的稠密气固两相反应流数值模拟方法，该方法步骤如下：
3、步骤一：根据稠密气固两相反应流系统的几何参数构建数值模拟的三维几何模型，对其进行结构化网格划分；
4、步骤二：根据气相流场的初始参数设置对流场信息进行初始化，同时根据固相颗粒的物性参数设置对颗粒信息进行初始化；
5、步骤三：根据稠密气固两相反应流系统的反应物设置确定化学反应，包括均相反应和异相反应的化学反应方程式及反应速率计算表达式；
6、步骤四：给每一个固相颗粒分配一个全局id，根据固相颗粒的位置信息将其映射到结构化网格中，在gpu上并行遍历固相颗粒所在网格以及相邻网格中的所有固相颗粒，进行固相颗粒碰撞判断，即当两个颗粒的半径和小于颗粒中心间距时则认为颗粒发生碰撞，结合cuda编程和openacc指令实现并行前缀和算法parallel prefix sum，将固相颗粒碰撞检索结果写入数组，建立初始时刻的固相颗粒碰撞列表；
7、步骤五：基于欧拉框架下，在cpu上建立气相控制方程，具体包括质量方程、动量方程、能量方程和组分输运方程，并根据库朗数coutant-friedrich-lewy condition确定流体时间步长；
8、步骤六：基于拉格朗日框架下，在gpu上建立颗粒运动控制方程、软球碰撞模型、传热模型和化学反应模型，根据最小碰撞时间确定颗粒时间步长；
9、步骤七：在cpu上应用有限体积法和一阶迎风格式离散气相控制方程，并采用压力耦合方程组的半隐式simple算法进行求解，获得气相的速度和压力信息；
10、步骤八：根据固相颗粒的位置信息将其映射到结构化网格中，并进一步判断颗粒在网格中的具体位置信息，计算得到每个网格的空隙率，根据gidaspow曳力模型，求解得到固相颗粒所受曳力，即气相-颗粒相互作用力；
11、步骤九：求解均相化学反应，根据能量方程和组分输运方程，求解得到气相温度和气相组分分布；
12、步骤十：在cpu上将空隙率、曳力、气相温度和气相组分分布的内存设置为页锁定内存，通过第一数据交换管道，利用直接内存访问技术从cpu复制到gpu上；
13、步骤十一：在gpu上根据软球碰撞模型计算得到固相颗粒所受的碰撞力，并根据固相颗粒所受的重力和曳力，求解颗粒运动控制方程，获得固相颗粒的速度、转速和位置信息；
14、步骤十二：在gpu上求解传热模型和异相反应模型，并根据能量守恒方程和质量控制方程，计算得到固相颗粒的温度和质量信息；
15、步骤十三：根据颗粒所在网格信息，将传热传质和化学反应引起的气相温度变化和气相组分变化写入相应结构化网格，更新获得每个网格的气固相间换热量和质量传递量；
16、步骤十四：在gpu上并行遍历固相颗粒所在网格以及相邻网格中的所有固相颗粒，进行固相颗粒碰撞判断，即当两个颗粒的半径和小于颗粒中心间距时则认为颗粒发生碰撞，结合cuda编程和openacc指令实现并行前缀和算法parallel prefix sum，将固相颗粒碰撞检索结果写入数组，建立下一计算时刻的固相颗粒碰撞列表；
17、步骤十五：在cpu上将颗粒的速度、位置、温度以及气固相间换热量、质量传递量的内存设置为页锁定内存，通过第二数据交换管道，利用直接内存访问技术，将在gpu上计算得到的固体颗粒速度和位置信息从gpu直接拷贝回cpu，获得当前时刻的固体颗粒速度和位置信息以及气相的流场信息。
18、进一步地，在所述步骤一中，结构化网格的尺寸为固体颗粒直径的3-5倍。
19、进一步地，气相流场的初始参数包括速度、温度和压力参数；固相颗粒的物性参数包括直径、密度、热物性及位置信息参数。
20、进一步地，在所述步骤二和步骤十四中，当两个固体颗粒的中心距小于等于两个固体颗粒半径和的1.2倍，则将这两个颗粒记录在颗粒碰撞列表中。
21、进一步地，在所述步骤五和步骤六中，颗粒时间步长为流体时间步长的1/100～1/10，因此，每个本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于GPU并行颗粒碰撞检索的稠密气固两相反应流数值模拟方法，其特征在于，该方法步骤如下：
2.根据权利要求1所述的一种基于GPU并行颗粒碰撞检索的稠密气固两相反应流数值模拟方法，其特征在于，在所述步骤一中，结构化网格的尺寸为固体颗粒直径的3-5倍。
3.根据权利要求1所述的一种基于GPU并行颗粒碰撞检索的稠密气固两相反应流数值模拟方法，其特征在于，气相流场的初始参数包括速度、温度和压力参数；固相颗粒的物性参数包括直径、密度、热物性及位置信息参数。
4.根据权利要求1所述的一种基于GPU并行颗粒碰撞检索的稠密气固两相反应流数值模拟方法，其特征在于，在所述步骤二和步骤十四中，当两个固体颗粒的中心距小于等于两个固体颗粒半径和的1.2倍，则将这两个颗粒记录在颗粒碰撞列表中。
5.根据权利要求1所述的一种基于GPU并行颗粒碰撞检索的稠密气固两相反应流数值模拟方法，其特征在于，在所述步骤五和步骤六中，颗粒时间步长为流体时间步长的1/100～1/10，因此，每个流体时间步后，颗粒会推进计算10～100次，即每完成一次步骤七至步骤十的计算，
6.根据权利要求1所述的一种基于GPU并行颗粒碰撞检索的稠密气固两相反应流数值模拟方法，其特征在于，在所述步骤六中，传热模型具体包括颗粒-流体对流传热、颗粒-颗粒导热传热、颗粒-流体-颗粒导热传热以及辐射传热。
7.根据权利要求1所述的一种基于GPU并行颗粒碰撞检索的稠密气固两相反应流数值模拟方法，其特征在于，在所述步骤八中，每个结构化网格可以假设由8个相同的子网格组成，用于进一步判断颗粒在网格中的具体位置信息。
8.根据权利要求1所述的一种基于GPU并行颗粒碰撞检索的稠密气固两相反应流数值模拟方法，其特征在于，在所述步骤十一至步骤十四中，每一个固相颗粒的计算和信息的更新对应一个独立的GPU线程完成。
9.一种基于GPU并行颗粒碰撞检索的稠密气固两相反应流数值模拟装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，其特征在于，所述处理器执行所述可执行代码时，实现如权利要求1-8中任一项所述的一种基于GPU并行颗粒碰撞检索的稠密气固两相反应流数值模拟方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时，实现如权利要求1-8中任一项所述的一种基于GPU并行颗粒碰撞检索的稠密气固两相反应流数值模拟方法。
...【技术特征摘要】
1.一种基于gpu并行颗粒碰撞检索的稠密气固两相反应流数值模拟方法，其特征在于，该方法步骤如下：
2.根据权利要求1所述的一种基于gpu并行颗粒碰撞检索的稠密气固两相反应流数值模拟方法，其特征在于，在所述步骤一中，结构化网格的尺寸为固体颗粒直径的3-5倍。
3.根据权利要求1所述的一种基于gpu并行颗粒碰撞检索的稠密气固两相反应流数值模拟方法，其特征在于，气相流场的初始参数包括速度、温度和压力参数；固相颗粒的物性参数包括直径、密度、热物性及位置信息参数。
4.根据权利要求1所述的一种基于gpu并行颗粒碰撞检索的稠密气固两相反应流数值模拟方法，其特征在于，在所述步骤二和步骤十四中，当两个固体颗粒的中心距小于等于两个固体颗粒半径和的1.2倍，则将这两个颗粒记录在颗粒碰撞列表中。
5.根据权利要求1所述的一种基于gpu并行颗粒碰撞检索的稠密气固两相反应流数值模拟方法，其特征在于，在所述步骤五和步骤六中，颗粒时间步长为流体时间步长的1/100～1/10，因此，每个流体时间步后，颗粒会推进计算10～100次，即每完成一次步骤七至步骤十的计算，会重复完成步骤十一至步骤十四的计算10～100次。
6.根据权利要求1所述的一...
【专利技术属性】
技术研发人员：于佳慧，王帅，刘岸雄，罗坤，樊建人，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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