有毒重氣擴散數(shù)值型優(yōu)化與三維仿真研究.pdf

1、近年來，隨著化工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，化學品的使用越來越多。其中，一些化學品由于儲存不正確，發(fā)生意外泄漏，產(chǎn)生比空氣密度大的氣云，稱為重氣，它沿著地表進行擴散，引發(fā)中毒、燃燒、爆炸等危險事故的概率急劇增加，嚴重威脅周圍人員人身安全和財產(chǎn)安全。重氣擴散過程受很多外界因素影響，如風速、障礙物等，其擴散過程復雜。因此，開展重氣擴散過程的研究，對于科學預防重氣泄漏引發(fā)事故的發(fā)生以及指導應急救援具有重要理論價值和實踐意義。
　　重氣擴散過程相當復

2、雜，大型現(xiàn)場試驗雖然能夠收集到大量的真實數(shù)據(jù)，但是花費巨大且不能重復試驗，經(jīng)驗模型適用性較窄且精度不夠。針對以上問題，本文選用修正的湍流（κ-ε）模型修飾的計算流體力學(CFD)數(shù)值模型，以氯氣為例，開展重氣在有風條件下繞障礙物擴散的研究。本文主要的研究工作如下:
　　(1)綜述了重氣擴散數(shù)值模型的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，在對比分析了唯象模型、箱模型、淺層模型和計算流體力學模型的優(yōu)缺點之后，選用計算流體力學模型模擬重氣擴散過程，并且選用修

3、正的κ-ε模型更為真實地刻畫重氣擴散過程中的湍流運動。選取實驗場景，建立三維坐標系，結合坐標系建立CFD模型的數(shù)學方程式，簡化公式待求解。
　　(2)在求解CFD數(shù)值模型時，由于計算區(qū)域網(wǎng)格劃分數(shù)目巨大，計算任務艱巨，耗時長。目前在高性能計算領域內(nèi)發(fā)展非常迅速的CPU-GPU異構體系結構，其由于巨大的并行計算潛力被重多學者所關注。但是，CPU-GPU異構體系的OpenCL編程模型缺乏擴展到多個計算節(jié)點的能力，傳統(tǒng)的并行編程模型如共

4、享存儲編程模型的OpenMP，又難以發(fā)掘異構系統(tǒng)所有的計算能力，所以本文將OpenCL與OpenMp結合起來，以MPI作為進程間的消息傳遞機制，提出基于MPI+OpenMP+OpenCL的三級混合并行編程模型，以此對CFD數(shù)值模型求解過程進行并行優(yōu)化，大幅度提高計算速度和精度，保證計算的實時性。當網(wǎng)格規(guī)模為200*200*80時，該模型在128個計算節(jié)點上獲得了12.56的加速比，并行效率為62.1％。
　　(3)將CFD模型的數(shù)