一个基于GPU并行加速的海啸数值模型

地震海啸通常发生在大洋板块向陆地板块俯冲的区域,距离震源最近的国家和地区往往在震后5～20 min之内就会遭受到海啸袭击。因此,及时的海啸预警和准确的海啸预报结果对于民众和决策者都至关重要。为了提升海啸预警效率,缩短海啸预报时间,本研究对COMCOT海啸数值模型进行了基于图形计算单元GPU的二次并行开发。将原模型中海啸传播计算模块通过CUDA＿C语言编写内核函数整体移植到GPU上并行加速,CPU负责模型其他代码的执行。为了减少CPU和GPU之间的数据通信,将吸收边界和变量更新函数一并改写。仅在需要输出的时间节点,GPU向CPU传递结果,其他时间步长,CPU和GPU之间只有指令和少量参数传输,基本可视为零耗时。基于GPU并行加速的COMCOT较串行版本效率提升超过67倍,加速性能显著优于基于CPU共享内存的OpenMP并行版本。交叉使用常水深和真实地形,采用均匀滑移海啸源和有限元海啸源对模型的计算结果进行了较为全面的分析检验,相对误差最大不超过1%,为大范围的越洋海啸实时计算提供了有力工具。     

三维自由面流动模拟中GPU并行计算技术

MPS(Moving Particle Semi-implicit)法能够有效地处理溃坝、晃荡等自由面大变形流动问题。在三维MPS方法中,粒子数量的急剧增加会导致其计算效率的降低并限制其在大规模流动问题中的应用。基于自主开发的MPS求解器MLParticleSJTU,本文对求解过程中耗时最多的邻居粒子搜寻和泊松方程求解两个模块采用了GPU并行加速,详细探讨了CPU+GPU策略。以三维晃荡和三维溃坝这两种典型的自由面大变形流动为例,比较了CPU+GPU相对于MLParticle-SJTU串行求解时的加速情况,结果表明CPU+GPU在邻居粒子和泊松方程这两个模块中的加速比最高能达到十倍左右。此外,采用CPU+GPU并行能够较准确地模拟溃坝、晃荡等自由面大变形问题。     

基于图形处理器的海浪仿真研究

提出了一种新的海浪数学模型构造算法,利用基本噪音函数构建Perlin噪音函数,并利用Perlin噪音函数生成的高度场为海浪中的水质点提供高度采样源。同时针对海浪仿真中计算量大的问题,以及依赖CPU完成图形运算的不足,提出用图形处理器(GPU)中的顶点着色器和像素着色器实现海浪的仿真,以平衡CPU和GPU的负载,确保仿真实时和逼真的视觉效果。     

基于GPU的实时水面场景并行渲染算法

水面的模拟历来都是一个难题。近几年,随着图形处理器(GPU)的迅速发展,它的功能不再局限于图形处理,而是进入到了通用计算领域,所以可以利用GPU的并行计算优势来加速水面的模拟过程。本文研究的主要内容是海浪的实时模拟绘制。海浪渲染算法使用了投影网格技术,使用CUDA并行计算方法对投影网格顶点坐标的计算进行加速,比较使用CPU进行大数据量计算和使用GPU进行大数据量计算的速度差异。最终,改进后的程序渲染速度大幅提高,使得程序可以在生成更逼真画面的同时保持令人满意的帧率。     

复杂地形下海浪数值模式的特征线计算格式

LAGFD-WAM海浪数值模式是一种第三代海浪数值模式，通过求解波数谱平衡方程，并考虑风输入、波浪破碎耗散、底摩擦耗散、波波非线性相互作用和波流相互作用等源函数，模拟波数空间下的海浪方向谱，并依此获得海浪的波高、周期和平均波向。该模式的一个显著特点是采用特征线嵌入格式求解海浪的传播。在进行浅水区域的海浪模拟时，特征线嵌入格式的数值计算方案是否合理对海浪数值模拟结果产生直接的影响。为此LAGFD-WAM海浪数值模式提出了一种新的特征线混合数值计算格式，并应用于浅水海浪数值模拟。结果表明，采用该计算方法，能够使数值模拟结果与实测结果很好符合。     

近岸台风浪的嵌套数值模式

本文将混合数值海浪模式与第三代海浪模式结合起来研究近岸台风浪。在西北太平洋及中国海域采用混合数值海浪模式预报海浪，而在近岸台风区域采用包括海底绕射项的ＷＡＭ模式，该小区域的浪边界条件由大区域上得到的计算结果提供。我们建立的数值近岸台风浪预报系统既利用了混合海模式节省计算机时的优点，又用细网格的ＷＡＭ模式抓住了近岸海底地形对海浪的作用，该模式的后报结果表明，模式计算的近岸台风浪台站的实测资料符 合料     

波浪对风暴潮影响的数值研究

联合第三代浅水海浪模式SWAN和三维海流模式POM,建立考虑海浪影响的三维风暴潮模式,利用该模式,在渤黄海区域,对温带气旋830315诱发的风暴潮进行数值模拟,从海表风应力、辐射应力、底应力三方面入手,对海浪对风暴潮的影响进行了数值研究.研究表明:海浪通过风应力对风暴潮水位的影响最为显著,而波致辐射应力与依赖波流相互作用的底应力的影响只在渤海和北黄海相对明显;考虑海浪影响的风暴潮水住过程曲线模拟结果,比不考虑海浪影响的纯风暴潮模拟结果与实测水位曲线吻合的更好,尤其是在减水极值处,其相对误差不超过5.57%.     

波浪对风暴潮影响的数值研究

联合第三代浅水海浪模式SWAN和三维海流模式POM,建立考虑海浪影响的三维风暴潮模式,利用该模式,在渤黄海区域,对温带气旋830315诱发的风暴潮进行数值模拟,从海表风应力、辐射应力、底应力三方面入手,对海浪对风暴潮的影响进行了数值研究.研究表明海浪通过风应力对风暴潮水位的影响最为显著,而波致辐射应力与依赖波流相互作用的底应力的影响只在渤海和北黄海相对明显;考虑海浪影响的风暴潮水住过程曲线模拟结果,比不考虑海浪影响的纯风暴潮模拟结果与实测水位曲线吻合的更好,尤其是在减水极值处,其相对误差不超过5.57%.     

球坐标系下MASNUM海浪数值模式的建立及其应用

为开展海浪对海洋上混合层的搅拌混合作用及其对海气界面通量的影响等研究,在LAGFD WAM区域海浪数值模式基础上建立了球坐标系下的全球海浪数值模式.重点导出了球坐标系下的海浪能量谱平衡方程及其复杂特征线方程,该组方程包含了背景流场对波动传播的调整、波动沿大圆传播的折射等.数值积分则采用复杂特征线嵌入计算格式.初步数值模拟结果表明,该海浪全球数值模式能够较为精确地刻画海浪的动力过程.     

一阶速度-应力双相介质方程逆时偏移及GPU加速实现

实际地下储层是含流体的双相介质,常规的弹性波叠前逆时偏移多基于单相介质理论,不能充分考虑地层中的双相介质对地震波场的影响。为研究双相介质中地震波传播对逆时偏移结果的影响,基于Biot的双相介质理论实现了一阶速度-应力双相介质方程的逆时偏移,并基于CUDA实现了双相介质方程逆时偏移的GPU加速。模型实验结果表明,在含流体的双相介质中,双相介质方程逆时偏移的结果比弹性波方程和声波方程的结果更接近真实的构造形态,同时与基于CPU的双相介质逆时偏移相比,基于GPU的逆时偏移可达到27倍的加速比。因此基于GPU加速的双相介质逆时偏移不仅能够实现对双相介质地层的精确偏移成像,而且能够有效提高逆时偏移的计算效率。     

Efficient computation of surf zone waves using the nonlinear shallow water equations with non-hydrostatic pressure

A numerical method for non-hydrostatic, free-surface, irrotational flow governed by the nonlinear shallow water equations including the effects of vertical acceleration is presented at the aim of studying surf zone phenomena. A vertical boundary-fitted grid is used with the water depth divided into a number of layers. A compact finite difference scheme is employed for accurate computation of frequency dispersion requiring a limited vertical resolution and hence, capable of predicting the onset of wave breaking. A novel wet–dry algorithm is applied for a proper handling of moving shoreline. Mass and momentum are strictly conserved at discrete level while the method only dissipates energy in the case of wave breaking. The numerical results are verified with a number of tests and show that the proposed model using two layers without ad-hoc assumptions enables to resolve propagating nonlinear shoaling, breaking waves and wave run-up within the surf and swash zones in an efficient manner.     

四叉树网格下的椭圆型缓坡方程数值模型研究

波浪是近岸海域关键的水动力因素之一。考虑到近岸地形复杂、波浪演化显著的特点,建立了四叉树网格体系下的椭圆型缓坡方程数值模型,采用有限体积法对模型进行数值离散,应用GPBiCG(m, n)算法求解离散后的控制方程。模型中根据波浪波长布局计算网格,生成多层次四叉树网格,对复杂计算域有较好的适应性,并且在离散和方程求解中无需引入形函数、不产生复杂的交叉项,节约了存储空间和计算时间。将模型成功应用于物理模型实验及Acapulco海湾的波浪场数值模拟,结果表明该模型能够准确、高效地模拟近岸波浪场,可为近岸波浪场的模拟提供一定的理论和技术支持。     

基于MEMS加速度计空投浮标的波浪测量方法试验研究

针对基于MEMS加速度传感器的空投波浪浮标存在采样频率与测波精度低的问题，根据频域衰减积分算法，提出一种相应的波浪测量算法，为了验证该算法测波的准确性，开展了多功能水槽试验研究。该算法旨在将MEMS加速度传感器输出的加速度与姿态角转化为浮标运动的波形，首先将加速度与姿态角信号进行竖向处理获得竖直方向的加速度，再利用离散傅里叶变换将竖向加速度转化为频域内的加速度复数序列，然后引入控制函数减弱低频噪声，经过频域积分、离散傅里叶逆变换、时域积分获得竖直方向的位移，最后通过后处理得到最终的波形。多功能水槽试验采取10中不同波高和周期的工况，对比空投波浪测量浮标与波高仪的测量结果，试验结果表明，浮标的测量误差在10%以内，达到测波标准。     

基于格子Boltzmann方法的斜坡堤越浪数值模拟研究

准确确定越浪量对于斜坡堤设计有重要意义。利用格子Boltzmann方法(LBM),并采用主动吸收式速度入口造波、出流边界消波、VOF方法追踪自由表面以及静态Smagorinsky模型模拟紊流运动,建立二维数值波浪水槽,对光滑斜坡堤上规则波与不规则波越浪进行数值模拟。模拟结果与试验值及其他数值模型结果比较表明,二维LBM数值波浪水槽具有模拟斜坡堤越浪的能力,但对于破碎较为剧烈的越浪过程模拟,该模型还存在一定的不足,未来可从提高自由表面模型精度等方面进一步改善其性能。     

A shipborne wave-recording system with digital data processing

A shipborne wave-recording system which consists of a sonic wave gauge, accelerometers, gyroscopes and a computer system is described. Signals from the measuring apparatus are fed directly into a shipborne digital computer system at a prescribed sampling rate. The time series of wave heights and the acceleration are transformed into Fourier series using an algorithm of Fast Fourier Transform. Errors contained in the observed wave heights due to ship motion are corrected in the Fourier series by using the Fourier coefficients for the vertical acceleration. Power spectra and waveforms can also be calculated in a short time with this system from Fourier coefficients. Examples of the observational results obtained in the central part of the East China Sea in 1969 are presented.     

考虑波能耗散的近岸波浪传播数学模型

基于考虑能耗的定常缓坡方程，推导得出包含波能耗散的近岸水域波浪传播变形数学模型，并用所得模型对浅水中波浪的传播进行了计算，将计算结构与Berkhoff的实验数据进行比较，表明二者吻合很好。该数学模型能较好地解决波浪在浅水中的传播变形问题。     

水下圆形浅滩附近波浪绕射的计算

采用波数矢量无旋和波能守恒方程对圆形浅滩附近水域波浪绕射进行了数值计算,计算模型中采用Ｂａｔｔｊｅｓ关系与波数矢量无旋,波能量守恒方程一起联合求解圆形浅滩附近水域波浪折射影响下的波浪要素。本文的数值计算模型对圆形浅滩水域波浪折射绕射现象的验证结果表明,计算所得结果与试验结果是吻合的,数学模型是可靠和合理的,具有实用价值。     

基于物理造波和主动消波的黏性数值波浪水槽开发

基于推板造波理论和摇板造波理论,在Open FOAM平台上采用重叠网格技术建立黏性数值波浪水槽,并使用一种结合SIMPLE算法和PISO算法的PIMPLE算法对数值模型进行求解。利用开发的数值模型通过数值收敛性测试和网格独立性测试分别重点研究了时间步长、库朗数和网格尺寸对数值精度和计算效率的影响。并对比研究了此数值模型分别嵌入层流模型和湍流模型的计算精度和计算效率。实现的规则波和二阶有限振幅波与理论结果和试验结果吻合,验证了此黏性数值波浪水槽的造波和主动消波功能。基于二维数值波浪水槽,进一步研究了三维数值造波,数值计算结果与理论结果吻合良好。研究结果不仅验证了重叠网格在二维和三维两相流体域中求解运动物体与流场交互的可靠性和正确性,而且为使用此黏性数值波浪水槽解决更复杂的海洋工程问题提供了依据。     

遗传算法在多向随机波浪反射分析中的应用

通过数值模拟方法研究了遗传算法在分析多向入、反射波浪共存场中入射波浪的方向分布、波浪的反射系数和反射面位置的应用.对入射波浪的方向分布、波浪的反射系数和反射面位置通过遗传优化模拟和理论互谱的差别组成适应函数来确定.数值模拟结果表明,在多向入、反射波浪场中遗传算法能够精确地分离入、反射波浪,而且不需要预先确定反射面位置,因此遗传算法能够很好地被应用于分析多向随机波浪从斜坡堤等反射面位置不明确的建筑物的反射问题.     

An Analytic-Numerical Solution of Wave Transformation

An analytic-numerical solution of wave transformation in shoaling water is presented in this paper. The analytical expression for wave heights along the wave rays is derived in consideration of the combined effect of water depth shoaling, the wave refraction and the sea bottom friction. The wave rays (orthogonals) are calculated by a fourth order Runge-Kutta algorithm and the wave crest lines are computed by an iteration procedure. The numerical results are compared with analytical solution for a special case of parallel- straight contour shore and field data, and comparisons show that the proposed mathematical model and computation method are very useful and convenient for engineering application.