一种基于离散-连续耦合模型模拟的并行加速方法

本发明涉及表界面处反应-传递耦合模拟研究，尤其涉及一种基于离散-连续耦合模型模拟的并行加速方法。

背景技术：

1、高超声速飞行器对内部传感器和电子设备的热防护要求很高，然而在临近空间滑翔、飞行或再入过程中，飞行器与空气间的摩擦会产生巨大的热量，导致激波层气体发生内能激发、离解、电离等高温气体效应，在气固表面发生复杂的催化/氧化等物理化学过程，这给飞行器热防护系统设计带来极大挑战。此外，在气固多相催化反应或液固多相催化反应中，反应分子在催化剂外表面以及孔道内表面发生化学反应，多种不同的化学反应将产生复杂的吸热/放热和传热等过程，这将造成催化剂材料温度发生显著变化，对催化剂的性能产生严重影响，这给反应材料的研制和反应过程的放大设计带来挑战。

2、因此，气固表面相互作用或液固表面相互作用等近壁反应流问题是航空航天和材料化学领域研究的重要问题，它在多相催化、吸附、分离、高超声速飞行器热防护系统、稀薄气体动力学等很多领域具有广泛的应用前景。目前，随着时空尺度减小，并且涉及气固分子之间复杂的催化复合反应机制和动态耦合过程时，基于连续介质假设的模型和方法精确性差，甚至失效，尤其是难以对表面上发生的各微观过程进行深入研究。

3、分子模拟方法虽然能够模拟纳微尺度过程，但现有技术完全基于cpu处理气体的流动和扩散、气固表面的催化复合反应和吸热放热等热交换以及固体传热等多过程、多尺度耦合模拟。然而，为了更准确地理解和揭示该尺度上气固表面相互作用过程和机理，并且能够与流动和扩散相耦合，模拟规模在空间尺度上需达到10-6-10-3m，时间尺度需达到10-6-10-3s，单纯使用cpu的分子模拟计算能力和效率受到限制，导致该方法难以达到实用的模拟规模。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种基于离散-连续耦合模型模拟的并行加速方法。

2、为了实现上述目的，本发明提出了一种基于离散-连续耦合模型模拟的并行加速方法，用于对界面附近的流动、扩散、吸附、脱附、反应和/或传热过程的计算机模拟，具体包括：

3、步骤1)采用离散粒子-有限元网格耦合模型，根据模拟设置信息设定初始参数；

4、步骤2)将离散粒子-有限元网格耦合模型划分为硬球计算区域hs、拟颗粒计算区域pp、带化学反应的拟颗粒计算区域rpp和有限元网格计算区域fd；采用众核异构平台，设定cpu处理hs区域和pp区域，众核处理器处理rpp区域和fd区域；

5、步骤3)在一个时间步内，众核处理器通过重叠链检测法处理rpp区域的颗粒间碰撞和反应，同时cpu处理hs区域的事件；众核处理器处理fd区域并更新固体温度，同时cpu依次更新pp区域颗粒信息以及与cfd区域的边界交换；

6、步骤4)将cpu和众核处理器的处理结果转化为cfd区域使用的反应动力学参数，并继续模拟基于连续模型的cfd区域的流动反应过程；

7、步骤5)当时间步总数未达到时，转至步骤3)继续处理下一个时间步，当时间步总数达到时，转至步骤6)；

8、步骤6)输出模拟结果。

9、作为上述方法的一种改进，所述反应包括气相和/或液相反应、气固催化反应、液固催化反应和气液固三相催化反应中任意一种或至少两种的组合。

10、作为上述方法的一种改进，所述方法还包括根据模拟设置信息，采用cfd模拟连续流场的流动反应过程，统计其在近表界面处网格内的流场信息，该流场信息作为待模拟的初始参数。

11、作为上述方法的一种改进，所述表界面包括气固、气气、气液、液固、液液中任意一种或至少两种的组合。

12、作为上述方法的一种改进，所述步骤1)的模拟设置信息包括流体流速、平均流速、温度分布、流体各组分和各组分浓度分布。

13、作为上述方法的一种改进，所述步骤3)具体包括：

14、在一个时间步内，众核处理器通过重叠链检测法处理rpp区域及边界的操作，同时cpu处理hs区域内事件，并更新事件列表，然后处理pp串行部分的颗粒移动和碰撞；

15、众核处理器处理fd区域更新，同时cpu处理pp边界碰撞，更新完毕后传输边界pp颗粒信息至众核处理器；

16、cpu处理hs区域、pp区域以及cfd边界处的信息交换，将网格信息和离散粒子信息相互转化，众核处理器处理rpp区域与fd区域边界处信息交换。

17、作为上述方法的一种改进，所述重叠链检测法具体包括：

18、采用多壳层邻居列表法计算rpp区域内每个颗粒直接碰撞的邻居数，通过邻居数筛选出多个颗粒碰撞，将颗粒分为无碰撞、两颗粒碰撞和重叠链碰撞；

19、对于无碰撞和两颗粒碰撞，直接并行更新碰撞；

20、对于重叠链碰撞，采用重叠链间并行，重叠链内部串行的方式更新每个颗粒速度和位置。

21、作为上述方法的一种改进，所述采用多壳层邻居列表法具体包括：

22、采用预设的邻居颗粒区厚度建立邻居列表，将邻居划分为多层，对于颗粒i，通过下式计算其邻居颗粒j所在层数sij，

23、

24、其中，rc为截断半径，rs为邻居颗粒区厚度，n为邻居颗粒区进一步划分的多壳层数；

25、对于外层颗粒只进行壳层迁移，不计算具体距离；对于移动至最内层的邻居进行距离检测，并通过快速排序算法将颗粒重新移动至其实际所处壳层。

26、作为上述方法的一种改进，所述事件列表采用完全二叉树的方法建立。

27、作为上述方法的一种改进，所述步骤4)的反应动力学参数包括各组分的反应速率、各组分的浓度分布、热流和温度分布。

28、与现有技术相比，本发明的优势在于：

29、1、本发明提供一种基于众核异构平台的离散粒子-连续介质模型耦合模拟并行加速方法，设计方案具有良好的可扩展性，且充分隐藏了cpu部分的计算，计算效率高，极大的提升了近壁反应流问题模拟的时间和空间规模；

30、2、本发明针对rpp部分移植到众核平台这一方法中的计算热点进行了深度优化，针对硬件特点，采用全新的重叠链检测法，多壳层邻居列表法等实现了进一步加速；

31、3、本发明针对现有技术中，连续介质假设成立的流动区域采用离散粒子方法造成的计算能力浪费问题，在模型层面进行优化加速，采用连续方法计算流动区域，实现了模拟时空规模的进一步扩展。

技术特征：

1.一种基于离散-连续耦合模型模拟的并行加速方法，用于对界面附近的流动、扩散、吸附、脱附、反应和/或传热过程的计算机模拟，具体包括：

2.根据权利要求1所述的基于离散-连续耦合模型模拟的并行加速方法，其特征在于，所述反应包括气相和/或液相反应、气固催化反应、液固催化反应和气液固三相催化反应中任意一种或至少两种的组合。

3.根据权利要求2所述的基于离散-连续耦合模型模拟的并行加速方法，其特征在于，所述方法还包括根据模拟设置信息，采用cfd模拟连续流场的流动反应过程，统计其在近表界面处网格内的流场信息，该流场信息作为待模拟的初始参数。

4.根据权利要求3所述的基于离散-连续耦合模型模拟的并行加速方法，其特征在于，所述表界面包括气固、气气、气液、液固、液液中任意一种或至少两种的组合。

5.根据权利要求2或4所述的基于离散-连续耦合模型模拟的并行加速方法，其特征在于，所述步骤1)的模拟设置信息包括流体流速、平均流速、温度分布、流体各组分和各组分浓度分布。

6.根据权利要求5所述的基于离散-连续耦合模型模拟的并行加速方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：

7.根据权利要求6所述的基于离散-连续耦合模型模拟的并行加速方法，其特征在于，所述重叠链检测法具体包括：

8.根据权利要求7所述的基于离散-连续耦合模型模拟的并行加速方法，其特征在于，所述采用多壳层邻居列表法具体包括：

9.根据权利要求8所述的基于离散-连续耦合模型模拟的并行加速方法，其特征在于，所述事件列表采用完全二叉树的方法建立。

10.根据权利要求9所述的基于离散-连续耦合模型模拟的并行加速方法，其特征在于，所述步骤4)的反应动力学参数包括各组分的反应速率、各组分的浓度分布、热流和温度分布。

技术总结
本发明公开了一种基于离散‑连续耦合模型模拟的并行加速方法：采用离散粒子‑有限元网格耦合模型，设定初始参数；将耦合模型划分为硬球计算区域HS、拟颗粒计算区域PP、带化学反应的拟颗粒计算区域rPP和有限元网格计算区域FD；设定CPU处理HS和PP，众核处理器处理rPP和FD；在一个时间步内，众核处理器通过重叠链检测法处理rPP的颗粒间碰撞反应，CPU处理HS区域的事件；众核处理器处理FD并更新固体温度，CPU依次更新PP颗粒信息及与CFD的边界交换；将处理结果转化为反应动力学参数，并继续模拟基于连续模型的CFD流动反应过程；当时间步总数未达到时处理下一个时间步，当时间步总数达到时输出模拟结果。

技术研发人员：赵明璨,邱天昊,李成祥,葛蔚
受保护的技术使用者：中国科学院过程工程研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13