GPU-CPU混合架构下燃烧室辐射换热求解器的设计与实现

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燃烧室是航空发动机的重要组成部分之一。随着现代计算机技术的快速发展和科学计算数值模拟方法的进步，计算流体力学（CFD）在发动机燃烧室的数值计算方面逐渐扮演着越来越重要的角色。一直以来，燃烧室的设计采用的是实验研究和经验分析相结合的方法，这样需要耗费的时间周期长，而且实验研究的费用非常高。因此，目前采用CFD手段利用数值模拟已经成为发动机设计的一种快速、经济的手段。
　　锅炉中的高温气体能量转移，火箭推进器的工作过程中，内燃机和各种高压高温燃烧室中都存在着高温气体的能量转换过程。随着科技的进步，科学家越来越注意到辐射换热相关问题对发动机设计的重要性，因此对高温气体的辐射特性进行研究具有重要的现实意义。
　　本文针对燃烧室辐射换热进行研究，基于对开源流体力学计算软件OpenFOAM的学习，采用蒙特卡洛的射线追踪方法，设计出一套适用于高温气体辐射换热高速并行计算的数值计算方法。
　　首先，本文基于辐射传热射线追踪理论编写出串行求解程序，该程序实现了辐射传热模拟的基础功能。
　　然后，本文通过该串行求解程序，分析辐射射线传输过程中的收敛速度，针对不同工况下的收敛速度，结合GPU/CPU混合平台的硬件架构的特点，采用NVIDIA的CUDA并行计算统一编程架构，通过使用非阻塞式的MPI协议实现“胖计算节点、瘦计算节点”的主从式结构建立起动态的负载平衡模型。通过测试，并行程序实现了10倍以上的计算速度提升。
　　在实验室的六台高性能工作站（其中5台配备了Tesla K20c加速卡）的基础上，本文基于Linux系统平台，采用PXE+NFS的方式，对计算集群的文件系统进行了统一的配置，该配置方式极大的简化了集群的配置。
　　最后，将编写的计算程序在计算集群上进行验证，对不同规模的辐射换热问题计算进行测试，通过实际的验证表明，辐射换热求解程序可移植性良好，能够解决特定辐射换热求解问题，计算速度能够满足预期的设计要求。计算集群配置简便、伸缩自由，能够满足使用需求。

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作者
李孟伟;
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作者单位

西南科技大学;

展开▼
授予单位西南科技大学;
学科计算机技术
授予学位硕士
导师姓名刘志勤,张勇;
年度 2016
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类传热学;
关键词
燃烧室; 辐射换热; 数值计算; 并行计算; 串行求解程序; 计算流体力学;

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