基于gpu粒子系统数值模拟的研究及其应用的论文

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1、摘要粒子系统是利用大量粒子进行模拟仿真的系统，被广泛应用于固颗粒体和流体相关的仿真中，包括可交互的流体的模拟，游戏中烟雾效果的模拟，天体物理学中的模拟和分子动力学等。离散单元法(DiscreteElementMetllod，DEM)是粒子系统常用的数值方法之J1

2、。基于DEM方法的粒子系统主要应用于泥石流，单螺杆挤出固体传输等固体颗粒流的模拟中。DEM将每个粒子看成介质系统中独立的实体，与其他粒子和边界发生碰撞和接触【2’3J。使用这种方法可以动态的模拟粒子流的运动。本文使用CUDA，进行GPU+CPU异构编程，实现基于离散单元法粒子系统。模拟单螺

3、杆挤出的固体输送部分，并用OpenGL演示整个交互过程。仿真系统分为主机端和设备端两部分。主机端，使用C++语言编写，构造粒子系统类搭建仿真系统的框架，并完成设备端函数的封装，再使用OpenGL绘制场景和螺杆模型；设备端，使用cUDA编写，利用GPU多线程并行计算，实现邻域搜索、粒子碰撞处理和粒子状态更新。本文使用了多种优化策略。对粒子的邻域搜索过程，使用一种更适合并行的搜索算法，采用设置sharedmemo巧变量减少对910balmemory的访存；使用CUDA流，使用异步拷贝的方式提高主机端和设备端数据传输速度：使用CUDA与OpenGL互操作

4、简化主机端与设备端传输过程；另外，系统还使用程序分支控制、寄存器使用策略、线程维度划分策略和合并访问策略来优化系统性能，并分别实验比较策略的效果，选取最优策略。分析系统在两款显卡上运行的效果和硬件执行的细节。最后比较了现有的一些粒子系统，实验证明本文基于GpU的粒子系统的效率更高，且能逼真的模拟固体粒子与螺杆的交互。关键词：GPU；离散单元法；CUDA；仿真ABSTRACTPaniclesystemisonekindofsystemwhichusesalargenulllberofpaniclestodosimulation．Thiskindofs

5、ystemiswildlyappliedinthesimuIationofsolidpaniclesandnuid，includingimeractiVeprocessoffluid，smokee毹cts，sim谢ationinastrophysicsandmoleculardynamjcs，andsoon．TheDiscreteE1ementMethod(DEM)isanimportantnumericalmethodforpanlclesystem·TheDEMpaniclesystemisappliedindebrisnowthes01ids

6、．innowzoneotaslnglescrewextmder，andsoon．TheDEMconsiderseachDarticleinagranularassemblyasaseparateentitv，whicbcaninteractwithotherparticlesorsWf．acesthroughc011isionsorlastingcontacts【2’31．UsethismethodwecanmodeladynamicbehaViorofagranul甜now．IhlspaperusedCUDAtoprogr锄aparticlesy

7、stembasedonDEM．ThewholeslmulatlonsystemisdiVidedintotwoparts．ThehostpartwasprogrammedinC++Janguage·AparncJesystemclasswascreatedasthe丹锄eworkofthesimulation5ystem·IheslmulationscenewasdrawbyOpenGL．ThedeviceDaIrtwasprogrammedinCUDA。Them勾oru11dertakingisnei曲borpaniclesse般h，forcec

8、omputlngoftheparticle，thephysicalquantitiesupdatingatthenexttimesteD．1nlspapermedmanywaystoimproVethep砌iclesyst锄’sperfonllance．Usedanewnel曲borpanlclesearchmethodwmchismoresuitableforparallelprogram：Used8haredmemo珂toreducethememoryaccessinginglobalmemory：UsedCUDAstre锄andas)，11c

9、hf。nousdatacopytothetrajlsmissionspeedbet、Ⅳeenthen08tandthede