基于MPI的黄河下游二维水沙数学模型并行计算研究

基于MPI的消息传递实现了黄河二维水沙数学模型的并行编程。以数据的分布存储作为区域划分的依据,实现了计算量的负载平衡;在全局网格和局部区域之间建立映射关系,并且在临界单元、进出口单元、共用节点通过规约等进行特殊处理,一方面尽可能减少了通讯量,另一方面也避免了消息的阻塞。采用曙光4000A并行计算系统的8个CPU进行计算的加速比达0．8,同时,多CPU并行计算极大地提高了计算任务的容量,使得无法在单机上完成的巨量计算成为可能。     

小浪底水库三维数学模型并行计算研究

基于MPI消息传递实现了小浪底水库三维数学模型的并行编程,采取网格分区和主从模式实现了并行计算,在全局网格和局部区域之间建立了映射关系,并对临界单元和进出口单元等特殊点进行了处理。结果表明:神威-SZNM集群的8CPU并行计算的加速比为5.2,远高于原串行程序在Windows操作系统下采用CVF编译器编译执行的计算速度,极大地缩短了计算时间,提高了计算准确度。     

DWSM动态并行计算技术

针对DWSM计算模式鲁棒性低、计算时间长、无法实现多核计算等局限性,对模型的算法和存储规则进行相应改进。在遵从DWSM计算逻辑顺序的基础上,抛弃原计算单元顺序表模式关于虚拟河道的假设,采用流域分区概念进行河网树结构的模式设计,在基于叶节点并行计算的基础上研究动态分级并行计算技术,以进一步完善计算模式。以黄河宁蒙段流域为实例,计算结果表明,算法的优化极大地提高了DWSM的计算效率,增强了其对大范围、具有复杂河网结构流域水沙规律研究的适用性。     

基于有限体积法的河网水动力并行计算模型

针对具有干河床、急缓流态交替的河网水动力模拟,采用MUSCL-Hancock有限体积格式离散Saint-Venant方程组,运用汊点水位预测-校正法处理河网汊点连接条件,建立了断面与河道完全数值解耦的复杂河网水动力模型。运用OpenMP和OpenACC编程模式分别实现了CPU,GPU并行计算。采用经典算例对模型计算精度进行了验证,采用珠三角河网实际算例对不同并行计算方式的加速效果进行了分析。算例研究表明,该模型具有良好的稳定性和计算效率,可适用于陡坡河道水动力模拟,具有较好的推广应用价值。     

小浪底水库泥沙水动力学数学模型研究及应用

从水沙基本方程着手，结合对有关问题的处理，建立了水库一维不平衡非均匀悬移质泥沙数学模型，并进行了潼关以下三门峡库区１９６０－１９９０年的模拟验证，以率定有关参数。在此基础上，进行了小浪底水库初期不同调度运用方式库区冲淤计算。     

广东省水雨情遥测数据统一接收方案探讨

基于广东省水情遥测数据接收系统为分散接收的现状,在新的技术条件下,为加强水情报汛数据传输的及时性和可靠性,探讨全省水雨情数据统一接收方案,即在新的通信规约框架下,水雨情遥测站将数据一站双发至省水情中心和热备份中心(或水情分中心),建设全省水雨情遥测数据统一接收平台,实现水情报讯数据传输的及时性和可靠性。     

水利科学计算并行计算平台构建及算法实践

文中采用现代先进的信息技术和计算技术,研究基于高性能并行计算的水利水电大型科学计算平台体系和构建,并采用Sun Fire 6800R和Sun Cluster Tools初步形成了高性能并行计算平台的架构,结合水利水电科学计算的实践,通过数学模型的结构分析、并行改造,探索、推广并行计算技术在水利水电数学模型计算领域的应用,并以此构架基于网络的开发式并行计算共享平台。     

城市洪涝模型及CPU-GPU异构并行计算技术研究进展

在全球气候变暖和城市化背景下,城市洪涝问题日益严峻。为尽可能减少城市洪涝灾害造成的损失,提高城市对突发性强降雨事件的应急处理水平,开展城市洪涝数值模拟技术研究具有十分重要的意义。本文从城市洪涝精细化和高效模拟角度出发,综述了城市洪涝模型、CPU-GPU异构并行计算的研究进展,系统总结了产汇流模型、一维河道/管网模型、二维地表模型、耦合模型、快速城市洪涝模型的构建方法和CPU-GPU异构并行计算的关键技术。针对当前城市洪涝模型研究中的不足之处,需要开展城市洪涝过程全物理机制模拟研究,深入分析全水动力城市洪涝模型的适用性、模拟精度和计算效率;还需基于异构并行计算技术,实现城市洪涝模型一维河道/管网、二维地表淹没的快速模拟,为城市暴雨洪涝精细化与高效模拟奠定基础。     

黄河下游一维水动力学数学模型管理平台设计与实现

黄河下游一维水动力学模型是研究黄河下游河道冲淤问题和河床演变规律的重要数学模型,是目前针对黄河下游应用最普及、最完善的数学模型。运用水动力学基本理论和软件工程理论研究开发下游河道泥沙冲淤计算模型可视化平台。将进入下游河道的水沙过程、河道断面参数等有关数据纳入可视化空间,增强了系统数据可视化管理功能,建立起具有数据管理、方案管理、方案输出、结果查询、方案比较等主要功能的系统平台,整体构成对河道泥沙冲淤计算的全过程支持。     

黄河下游河道水文水动力学泥沙数学模型研究

在水文学模型研究的基础上，根据对黄河下游河道输沙规律的认识，结合水动力学理论，进一步建立了流量演进、河道输沙能力、主槽糙率调整、分组沙冲淤和复式断面形态调整等复杂问题的计算方法，开发研制了黄河下游河道水文水动力学泥沙数学模型，经大量的实测资料验证，模型可以适应不同的水沙条件和河道边界条件，具有较高的计算精度，可氏水库调度运用等生产研究提供的计算依据。     

A DEM‐based parallel computing hydrodynamic and transport model

The sudden and accidental water pollution response system (SAWPRS) for Yangtze River in central China required to develop a hydrodynamic and transport model, which is readily available and capable of simulating a large river system within GIS environment. This study facilitates such effort by developing a parallel computing method based on digital elevation model (DEM) using overlapping domain decomposition approach (ODDA) and message passing interface (MPI) protocol. The hydrodynamic and transport model was redesigned using finite volume method for hydrodynamic and transport model dispersion, the SIMPLEC method for solving the flow field, and the pressure weighted interpolating method for the flow field modification. This modelling approach was verified in two experiments using different sets of computer clusters. The model output was evaluated against the measured data collected for the year 1998 for Wanzhou, an upstream river segment of Yangtze River. The relative error was found to be less than 10%. The performance of parallel computation was found excellent as evident from the cost efficiency values greater than 0.81 in both experiments and increased computation speed while increasing the number of computer clusters. Overall, the parallel computing modelling system developed here was found to meet all requirements of SAWPRS. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

三维连续-非连续并行计算方法及其在岩爆过程模拟中的应用

随着深部岩石工程的发展,岩爆变得越发严重。在岩爆的数值模拟方面,连续方法和非连续方法均具有一定的局限性。兼具二者优势的连续-非连续方法更具优势,且正在快速发展。基于CUDA对自主开发的三维拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法进行了GPU并行加速。为了探索岩爆的机理和过程,模拟了不同静水压力、侧压系数和单元数目（最多达100×10⁴）条件下圆形洞室围岩V形坑的演化规律和单元弹射现象。考察了洞室围岩中裂纹的定量演化规律。研究表明：当静水压力较大时,基于芬纳公式的支护设计偏于不安全。由于V形坑的位置发生改变,V形坑的平均最大深度随着静水压力的增加先缓慢增加后快速增加。关于洞室围岩V形坑的模拟结果能与有关的实验结果、数值结果和现场观测结果吻合。上述研究很好地体现了岩爆并行计算较串行计算和商业软件计算的优势。     

水动力学模型实时校正方法研究

多年来,国内外学者对水动力学模型应用于洪水预报做了大量研究,然而,由于预报精度不理想,长期以来未能在实时作业预报中得以广泛应用.为提高水动力学模型在洪水实时作业预报中的计算精度,研究从一维水动力学模型差分方程出发,通过对糙率参数的影响试验,研发出一种利用新息变化自动校正糙率系数的算法.该算法通过实时校正糙率系数达到对一维水动力学模型预报误差的实时校正.在长江干流清溪场至万县河段试验结果表明:目标函数一步及多步预报误差均有大幅降低,取得了提高预报精度的显著效果.本算法不改变水动力学模型的递推和使用糙率系数的算法结构,可以直接作为附加校正器加入到原水动力学计算程序中去,应用方便.     

基于水文水动力耦合模型的三江流域防洪模拟预报应用研究

为解决下游河网站点防洪模拟预报过程中存在预报精度偏低,以及采用水动力模型方法时所需资料数量过于庞大的问题,基于不同下垫面水文特征的分布式架构模型理论,通过对流域内山丘和平原区各阶段产汇流进行分解模拟的方式,建立了以交界面动量与通量交换实现互馈耦合的水文水动力一体化模型。以三江流域为研究区域,构建耦合了上游山丘区、平原区和下游长江水动力模型,利用代表站点开展了全流域一体化模型的率定与验证工作。对流域内 2016—2022 年降雨进行分析和场次降雨大于 100 mm 的多场洪水进行验证,结果显示耦合模型的模拟精度较好,在不需要大量资料的前提下有效提高了平原河网区预报精度及整个流域防洪调度能力,具有较强的借鉴意义,可为其他类似流域防洪模拟预报研究提供参考。     

基于套接字技术的水动力模型的网络化

水动力模型在防洪决策支持系统中占有重要的地位,而系统的网络化由于其易发布、好维护等优点日益受到重视。本文对水动力模型网络化的体系结构进行了分析,提出WWW服务模型与客户机 服务器结构相结合的B S S(浏览器 WEB服务器 应用服务器)结构;讨论了水动力模型在该方案中的位置,提出将模型的表现、交互部分和计算部分分开,分别位于B S S结构中的三个部分。在此基础上本文就怎样实现上述的结构进行了讨论,对于其中的难点WEB服务器与应用服务器(计算部分)的交互,分析了可采用的多种技术:基于特定协议的Socket(套接字)、命名管道、RPC(远程过程调用)、COM(组件对象模型)、CORBA、RMI、DCOM(COM ),基于通用协议的WEBSERVICE(包括.NET和SUNONE两种WEB技术体系)等,提出了利用Socket技术实现WEB服务器与水动力模型计算部分进行交互的解决方案,并阐述了该技术的基本原理,以及在哈尔滨城市防洪决策支持系统中的运用实例。     

平面二维非均匀泥沙OpenMP并行计算模型

为实现平面二维非均匀泥沙模型并行计算,采用OpenMP指令对串行源程序进行改造。基于三角形-四边形混合网格的平面二维非均匀泥沙有限体积模型具有显式求解时网格单元相互独立性这种特性,Fortran串行源程序无需进行较大的修改,只要在循环计算和数组整体操作部分嵌入OpenMP循环并行指令和数组并行指令,即可实现并行计算。案例分析结果表明,在并行线程数目等于计算机固有线程数目时,并行加速比达到最大值1.55;OpenMP技术使用线程间共享内存的方式协调并行计算,很适合在多核计算机上运行,且编程简单灵活,将随着计算机硬件性能的提高得到更广泛的应用。     

二维浅水波方程格子Boltzmann算法的GPU并行实现

根据二维浅水波方程的特点,运用计算二维明渠非恒定流的格子Boltzmann模型;利用格子Boltzmann算法耦合度低和CUDA(Compute Unified Device Architecture)线程级并行的优势,在GPU(Graphic Processing Unit)上实现了该模型的并行求解.通过对一维溃坝波和二维渍坝波的模拟,验证了模型的正确性和GPU计算的可靠性与高效性.对比分析显示,该模型在GPU上并行计算的每秒格点演进数达数十亿,运算效率比在单核CPU上高出数百倍.     

基于Winsock 接口编程的网络分区并行计算

本文从区域分解方法出发 ,发展了一套基于PC网络数值求解偏微分方程组的分区并行程序。其中 ,利用系统底层的Winsock接口技术实现PC之间的数据通信 ,从而大大提高了网络并行计算的运行效率。同时 ,这种网络并行既可以是同步的也可以是异步的。此外 ,本文还讨论了各子区域求解进程之间的通信可能存在的一些问题 ,并且提出了若干行之有效的解决方法 ,从而更好地保证了这种分区并行计算的可行性和有效性