有毒重氣擴(kuò)散數(shù)值型優(yōu)化與三維仿真研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著化工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，化學(xué)品的使用越來(lái)越多。其中，一些化學(xué)品由于儲(chǔ)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(jìn)行擴(kuò)散，引發(fā)中毒、燃燒、爆炸等危險(xiǎn)事故的概率急劇增加，嚴(yán)重威脅周圍人員人身安全和財(cái)產(chǎn)安全。重氣擴(kuò)散過(guò)程受很多外界因素影響，如風(fēng)速、障礙物等，其擴(kuò)散過(guò)程復(fù)雜。因此，開(kāi)展重氣擴(kuò)散過(guò)程的研究，對(duì)于科學(xué)預(yù)防重氣泄漏引發(fā)事故的發(fā)生以及指導(dǎo)應(yīng)急救援具有重要理論價(jià)值和實(shí)踐意義。
　　重氣擴(kuò)散過(guò)程相當(dāng)復(fù)

2、雜，大型現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)雖然能夠收集到大量的真實(shí)數(shù)據(jù)，但是花費(fèi)巨大且不能重復(fù)試驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦m用性較窄且精度不夠。針對(duì)以上問(wèn)題，本文選用修正的湍流（κ-ε）模型修飾的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模型，以氯氣為例，開(kāi)展重氣在有風(fēng)條件下繞障礙物擴(kuò)散的研究。本文主要的研究工作如下:
　　(1)綜述了重氣擴(kuò)散數(shù)值模型的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，在對(duì)比分析了唯象模型、箱模型、淺層模型和計(jì)算流體力學(xué)模型的優(yōu)缺點(diǎn)之后，選用計(jì)算流體力學(xué)模型模擬重氣擴(kuò)散過(guò)程，并且選用修

3、正的κ-ε模型更為真實(shí)地刻畫(huà)重氣擴(kuò)散過(guò)程中的湍流運(yùn)動(dòng)。選取實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，建立三維坐標(biāo)系，結(jié)合坐標(biāo)系建立CFD模型的數(shù)學(xué)方程式，簡(jiǎn)化公式待求解。
　　(2)在求解CFD數(shù)值模型時(shí)，由于計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)目巨大，計(jì)算任務(wù)艱巨，耗時(shí)長(zhǎng)。目前在高性能計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展非常迅速的CPU-GPU異構(gòu)體系結(jié)構(gòu)，其由于巨大的并行計(jì)算潛力被重多學(xué)者所關(guān)注。但是，CPU-GPU異構(gòu)體系的OpenCL編程模型缺乏擴(kuò)展到多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的能力，傳統(tǒng)的并行編程模型如共

4、享存儲(chǔ)編程模型的OpenMP，又難以發(fā)掘異構(gòu)系統(tǒng)所有的計(jì)算能力，所以本文將OpenCL與OpenMp結(jié)合起來(lái)，以MPI作為進(jìn)程間的消息傳遞機(jī)制，提出基于MPI+OpenMP+OpenCL的三級(jí)混合并行編程模型，以此對(duì)CFD數(shù)值模型求解過(guò)程進(jìn)行并行優(yōu)化，大幅度提高計(jì)算速度和精度，保證計(jì)算的實(shí)時(shí)性。當(dāng)網(wǎng)格規(guī)模為200*200*80時(shí)，該模型在128個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)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)