并行化河流數(shù)學(xué)模型研發(fā)及應(yīng)用

目錄
第1章 并行計(jì)算概況 1
1.1 并行計(jì)算機(jī)的發(fā)展 1
1.2 并行算法的應(yīng)用 3
1.3 并行硬件的構(gòu)架 4
1.3.1 單核處理器 4
1.3.2 多核處理器 4
1.3.3 異構(gòu)并行設(shè)備 5
第2章 并行化河流動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型 6
2.1 山區(qū)型急流數(shù)學(xué)模型 6
2.2 河口型緩流數(shù)學(xué)模型 8
2.3 洪水淹沒數(shù)學(xué)模型 10
2.3.1 洪水淹沒模型的并行化需求 10
2.3.2 洪水淹沒模型的并行化方式 12
2.3.3 同構(gòu)并行化洪水淹沒模型 12
2.3.4 異構(gòu)并行化洪水淹沒模型 14
2.3.5 其他并行機(jī)制的洪水淹沒模型 17
2.4 并行化河流數(shù)學(xué)模型的發(fā)展 19
2.4.1 同構(gòu)并行化河流數(shù)學(xué)模型 19
2.4.2 異構(gòu)并行化河流數(shù)學(xué)模型 20
2.5 各種河流數(shù)學(xué)模型的適用性 22
2.6 并行化河流數(shù)學(xué)模型的發(fā)展 22
第3章 并行化洪水淹沒模型原理及應(yīng)用 24
3.1 一維淺水方程 24
3.1.1 有限體積法離散 24
3.1.2 時(shí)間項(xiàng)離散 25
3.1.3 Roe格式 25
3.1.4 二階重構(gòu) 26
3.2 二維淺水方程 27
3.3 CPU并行化實(shí)施 29
3.3.1 多核CPU的基本架構(gòu) 30
3.3.2 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格離散 30
3.3.3 線程并行化實(shí)施 31
3.3.4 MPI并行化實(shí)施 32
3.4 GPU異構(gòu)并行化實(shí)施 33
3.4.1 GPU硬件架構(gòu) 33
3.4.2 CUDA編程 34
3.4.3 淺水方程求解的CUDA并行 36
3.4.4 并行化洪水淹沒模型結(jié)構(gòu) 38
3.5 模型驗(yàn)證 40
3.5.1 一維潰壩激波 40
3.5.2 二維潰壩激波 41
3.6 并行計(jì)算效率評(píng)價(jià) 43
3.6.1 并行計(jì)算效率評(píng)價(jià)指標(biāo) 43
3.6.2 計(jì)算條件設(shè)置 44
3.6.3 CPU并行計(jì)算效率評(píng)價(jià) 45
3.6.4 GPU并行計(jì)算效率評(píng)價(jià) 48
3.6.5 計(jì)算過程資源監(jiān)控 53
3.7 哈爾濱胖頭泡蓄滯洪區(qū)洪水淹沒過程模擬 54
3.7.1 胖頭泡蓄滯洪區(qū)概況 54
3.7.2 計(jì)算區(qū)域設(shè)置 56
3.7.3 邊界條件施加 58
3.7.4 胖頭泡分洪過程模擬 59
3.7.5 不同因素對(duì)洪水淹沒過程的影響 64
3.7.6 并行計(jì)算效率評(píng)估 72
3.7.7 洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 72
第4章 并行化平面二維水質(zhì)模型原理及應(yīng)用 74
4.1 富營養(yǎng)化數(shù)學(xué)模型研究現(xiàn)狀 74
4.2 富營養(yǎng)化數(shù)學(xué)模型離散 77
4.2.1 控制方程 77
4.2.2 非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格離散 79
4.2.3 對(duì)流擴(kuò)散項(xiàng)離散 80
4.2.4 數(shù)值通量 81
4.2.5 時(shí)間項(xiàng)離散 83
4.2.6 源項(xiàng)處理 85
4.2.7 邊界條件 86
4.3 平面二維水質(zhì)模型計(jì)算流程 88
4.4 污染物擴(kuò)散系數(shù)選取 89
4.5 水質(zhì)模型驗(yàn)證 89
4.5.1 單彎道水槽試驗(yàn)驗(yàn)證 89
4.5.2 連續(xù)彎道水槽試驗(yàn)驗(yàn)證 92
4.6 香溪河水質(zhì)平面二維數(shù)值模擬 96
4.6.1 香溪河支流概況 96
4.6.2 香溪河地形處理 97
4.6.3 香溪河富營養(yǎng)化初步分析 99
4.6.4 香溪河水動(dòng)力場模擬 100
4.6.5 香溪河水質(zhì)模擬 102
第5章 并行化粒子軌跡跟蹤模型原理及應(yīng)用 113
5.1 粒子軌跡跟蹤模型概述 113
5.2 粒子軌跡跟蹤模型的基本原理 114
5.2.1 控制方程 114
5.2.2 粒子軌跡跟蹤計(jì)算流程 115
5.2.3 粒子空間位置的搜索算法 117
5.3 粒子軌跡跟蹤模型的驗(yàn)證 123
5.4 粒子軌跡跟蹤模型在香溪河的應(yīng)用 125
5.4.1 三峽水庫蓄水期 125
5.4.2 三峽水庫泄水期 127
第6章 并行化三維水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型原理及應(yīng)用 130
6.1 概述 130
6.2 水華發(fā)生機(jī)理初步分析 133
6.3 水動(dòng)力學(xué)模型 136
6.4 水質(zhì)模型 137
6.4.1 簡化的水質(zhì)模塊 137
6.4.2 復(fù)雜的水質(zhì)模塊 138
6.4.3 溶解氧模塊 144
6.4.4 懸移質(zhì)泥沙模塊 149
6.4.5 水溫模塊 150
6.4.6 碳循環(huán)計(jì)算模型 156
6.5 底泥生化反應(yīng)模塊 157
6.5.1 底泥溶解氧模塊 157
6.5.2 簡化的底泥生化反應(yīng)模塊 159
6.5.3 底泥生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型 159
6.5.4 底泥與上覆水間的物質(zhì)交換通量 163
6.6 浮游植物動(dòng)力學(xué)模塊 163
6.7 耦合模型計(jì)算流程 167
6.8 模型驗(yàn)證 168
6.8.1 單彎道水槽試驗(yàn)驗(yàn)證 168
6.8.2 連續(xù)彎道水槽試驗(yàn)驗(yàn)證 169
6.9 耦合模型在香溪河庫灣的應(yīng)用 173
6.9.1 香溪河庫灣概況 173
6.9.2 水華促發(fā)因子分析 174
6.9.3 耦合模型率定結(jié)果分析 177
6.9.4 率定期的物質(zhì)輸移質(zhì)量變化 183
6.9.5 耦合模型驗(yàn)證結(jié)果分析 187
6.9.6 驗(yàn)證期的物質(zhì)輸移質(zhì)量變化 191
6.9.7 計(jì)算誤差分析 193
6.9.8 香溪河庫灣水華防治工程措施探討 194
6.10 耦合模型在三峽庫區(qū)的應(yīng)用 198
6.10.1 湖北省境內(nèi)三峽庫區(qū)概況 199
6.10.2 模型設(shè)置 199
6.10.3 模型率定 203
6.10.4 模型驗(yàn)證 211
6.10.5 氣候變化背景下的三峽水庫水質(zhì)變化趨勢(shì)探討 217
6.10.6 多介質(zhì)耦合模擬 219
第7章 并行化高階湍流模型原理及應(yīng)用 228
7.1 水動(dòng)力學(xué)模型 228
7.1.1 靜水壓力模式的控制方程 228
7.1.2 動(dòng)水壓力模式的控制方程 230
7.1.3 物理變量存儲(chǔ) 230
7.2 垂向坐標(biāo)系統(tǒng) 232
7.2.1 垂向s-z坐標(biāo)系統(tǒng)構(gòu)成及轉(zhuǎn)換 232
7.2.2 垂向s-z坐標(biāo)系統(tǒng)下的數(shù)值離散 234
7.3 控制方程的數(shù)值離散 234
7.3.1 連續(xù)方程離散 234
7.3.2 水平動(dòng)量方程離散 235
7.3.3 垂向動(dòng)量方程離散 236
7.3.4 物質(zhì)輸移方程離散 237
7.3.5 水平黏性項(xiàng)計(jì)算 238
7.3.6 對(duì)流項(xiàng)離散 239
7.3.7 邊界條件施加 240
7.4 紊流封閉模型 242
7.4.1 零方程模型 243
7.4.2 雙方程模型 243
7.4.3 湍流模型數(shù)值離散 245
7.4.4 高階壁面湍流模型 246
7.5 動(dòng)水壓力 251
7.5.1 正壓模式下的控制方程離散 251
7.5.2 斜壓模式下的控制方程離散 254
7.5.3 動(dòng)水壓力模式下的動(dòng)量方程離散 255
7.6 高階湍流模型應(yīng)用 259
7.6.1 研究區(qū)域概況 259
7.6.2 現(xiàn)場湍流觀測 262
7.6.3 網(wǎng)格生成和模型設(shè)置 263
7.6.4 網(wǎng)格質(zhì)量和靈敏度分析 264
7.6.5 湍流時(shí)空演變 266
7.6.6 模擬結(jié)果驗(yàn)證 267
7.6.7 動(dòng)水壓力與渦旋 269
7.6.8 三峽水庫蓄水的影響分析 273
參考文獻(xiàn) 276