并行化河流數(shù)學(xué)模型研發(fā)及應(yīng)用

目錄
第1章 并行計算概況 1
1.1 并行計算機的發(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 時間項離散 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 線程并行化實施 31
3.3.4 MPI并行化實施 32
3.4 GPU異構(gòu)并行化實施 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 并行計算效率評價 43
3.6.1 并行計算效率評價指標 43
3.6.2 計算條件設(shè)置 44
3.6.3 CPU并行計算效率評價 45
3.6.4 GPU并行計算效率評價 48
3.6.5 計算過程資源監(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 不同因素對洪水淹沒過程的影響 64
3.7.6 并行計算效率評估 72
3.7.7 洪水風險評估 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 對流擴散項離散 80
4.2.4 數(shù)值通量 81
4.2.5 時間項離散 83
4.2.6 源項處理 85
4.2.7 邊界條件 86
4.3 平面二維水質(zhì)模型計算流程 88
4.4 污染物擴散系數(shù)選取 89
4.5 水質(zhì)模型驗證 89
4.5.1 單彎道水槽試驗驗證 89
4.5.2 連續(xù)彎道水槽試驗驗證 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)生機理初步分析 133
6.3 水動力學(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 浮游植物動力學(xué)模塊 163
6.7 耦合模型計算流程 167
6.8 模型驗證 168
6.8.1 單彎道水槽試驗驗證 168
6.8.2 連續(xù)彎道水槽試驗驗證 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 耦合模型驗證結(jié)果分析 187
6.9.6 驗證期的物質(zhì)輸移質(zhì)量變化 191
6.9.7 計算誤差分析 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 模型驗證 211
6.10.5 氣候變化背景下的三峽水庫水質(zhì)變化趨勢探討 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 動水壓力模式的控制方程 230
7.1.3 物理變量存儲 230
7.2 垂向坐標系統(tǒng) 232
7.2.1 垂向s-z坐標系統(tǒng)構(gòu)成及轉(zhuǎn)換 232
7.2.2 垂向s-z坐標系統(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 水平動量方程離散 235
7.3.3 垂向動量方程離散 236
7.3.4 物質(zhì)輸移方程離散 237
7.3.5 水平黏性項計算 238
7.3.6 對流項離散 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 動水壓力模式下的動量方程離散 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 湍流時空演變 266
7.6.6 模擬結(jié)果驗證 267
7.6.7 動水壓力與渦旋 269
7.6.8 三峽水庫蓄水的影響分析 273
參考文獻 276