cpu-gpu 耦合的多尺度模拟应用

《cpu-gpu 耦合的多尺度模拟应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、CPU-GPU耦合的多尺度模拟应用摘要:文章简单明了的阐述了多尺度问题以及研究手段。论述了常见多尺度问题的模拟计算方法与研究进展，对现有研究的局限性和存在的问题进行分析，指出了进一步研究多尺度模拟与计算的必要性。离散颗粒系统（DPM）已经被普遍的用于颗粒流体系统的相关模拟当中，然而DPM在超大型系统展开模拟的时候出现计算量特别大的问题，这一点极大的阻碍了它的全面推广应用。不过这些年来初露锋芒的图形处理器（GPU），由于其具备极强的计算能力以及不错的并行性，给离散颗粒系统的推广应用开辟了另外一跳道路。关键词：多尺度；模拟；DPM；应用1第1章引言1颗粒材料的概念1.1定义与分类颗

2、粒材料，英文名称为granularmaterials,granularmatter，学术界的定义是通过众多相互接触在一起的颗粒所构成的系统，因为在低于1微米的情况下，热运动极其明显，因此颗粒尺度往往会现在大于1微米的范围里。在超过1微米的情况下，热运动即可不用考虑在内，颗粒与颗粒之间产生的相互作用力仅仅只有接触作用力，换言之，量子力学在这种情况下可以忽视，仅仅只要考虑经典力学领域的计算。按照有没有存在液体一般可以把颗粒材料区别成干颗粒材料以及湿颗粒材料两种类型；按照结构组分又可以把颗粒材料区别成单相以及多相颗粒材料两种类型；这里面的提到的单相颗粒材料，具体来说就是拥有单一屋里性

3、质的相关颗粒构成的干颗粒类型的集合体，而多相颗粒则是多种物理性质不一的干颗粒构成的集合体（或者称之为多相颗粒流），以及具备间隙的流体的颗粒组合体。在非理想状态下，因为颗粒与颗粒之间往往都有空气充斥其中，那么从这一点来说，单相颗粒材料只存在于理论当中，在现实生活中是不可能有的。不过要使研究更容易开展，通常会人为的对间隙当中的空气不作考虑，默认当前颗粒材料属于单相颗粒材料，这种情况一般出现在空气影响比较轻微的时候，包括干砂粒堆以及小麦堆等。颗粒材料根据力学行为的不同又可以区别成静态（static)和动态(dynamic)，而动态一般又包括三种小类：其一为准静态(quasi-stat

4、ic)，其二为动态(dynamic)，其三为快速流(rapidflow)。按照固体颗粒浓度的不同以及孔隙的差异还可以把颗粒材料区别成密相颗粒材料(densegranularmaterials)以及松散颗粒材料(loosegranularmaterials)还有稀薄颗粒材料(dilutegranularmaterials)三种类型。另外，依照颗粒浓度以及无量纲的剪切速率还可以把颗粒流区别成准静态、过渡态与快速态这三种类型。1.2颗粒中力的传递处于相互接触、尺寸大小一致、形状相同的均匀小颗粒共同构成的颗粒组合体内部形成的有序的、对称的二维层面的颗粒组合体，所谓加压实验，就是把颗粒组

5、合体放进具备水平地面的刚性结构当中，利用从垂直方向上给予集中压力的方式，详细观察并记录颗粒组合体内部相关力的扩散情况。在随机理论的基础上，构建力的传递模型。这套模型在结构上来说是二维有序以及对称分布的。在这套模型当中，所有颗粒都受到了从上方相互接触的两个颗粒所传递的力，同时这个力又通过利用相同的途径往下再次到达与之接触的邻近颗粒，具体可以看图1，处于处的颗粒1把受到的力往下传递到达邻近的点上的颗粒2以及处的颗粒3。19图1颗粒1受力并传递到达下层颗粒2与3按照能量传递的理论，可以得出相应的传导一扩散方程：（1）这里面，，分别表示波动量基于方向上的偏移系数以及扩散系数。假设代表力

6、产生的首个部分，那么转移概率密度可以表示为（2）方程2代表的含义是作用在最开始处即的力波动量最终可以传递到处颗粒上的概率大小。力的波动量基于方向上的平均位移可以表示成，同时存在有的Gaussian涨落。由此不难发现，当力在颗粒堆积体系不断往下传递的过程中，力波动量基于方向上的传递会由一个常数来决定，传递到平均位置的偏差系数同样伴随颗粒深度的不断提升而增大。假设，即对称分布，偏移系数，此时扩散方程就变成（3）19因为颗粒组合体当中存在搭拱效应，同时力波动量基于方向产生偏移转移，导致集中施加的垂直压力在传递过程中伴随着颗粒深度不断提升而不断向两边扩散，在一定深度的颗粒堆积体内部，会

7、发现在集中力作用线的位置，也就是说颗粒组合体的中心部分，不是受力最大位置。综上所述，在进行定性分析的时候，这套理论模型能够与实验相匹配。要注意一点的是，由块状颗粒构成的颗粒组合体在内部力的传递上不符合连续介质弹性理论的基本条件，也就是说，其相对于连续介质在力学特性上存在区别。因为离散特性的存在，粗粒料的多数相关现象都无法通过用已有的连续体力学模型来进行解释说明，因此连续介质模型中的变量在离散颗粒系统当中的任何位置都不具备连续的特性，只具有统计意义。1.2颗粒材料相关模型1.2.1颗粒材料宏观