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基于GPU/CPU多级并行CFD优化策略的研究

作　者: 孟伟超
导　师: 宋文滨；刘洪
学　校: 上海交通大学
专　业: 流体力学
关键词: 计算流体力学 Kriging GPU 遗传算法 高性能计算
分类号: V221
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


随着人们对设计性能与进度的不断追求,工业界普遍采用CFD和CAA算法进行飞行器优化设计。传统的优化策略是采用将CFD/CAA求解和数值方法如基于梯度搜索的算法耦合,进而得到最优解,这样不得不面临计算量巨大、优化难以实施的问题。通过构建Kriging代理模型,灵活选取优化策略来实施对飞行器的大规模、多参数优化已成为航空界较为常用的优化手段。但待优化变量数和样本点数增加时,由于要使用CFD/CAA计算每个样本点对应的目标值,构建代理模型的时间显著增长。同时基于响应面进行最优值搜索所需时间也显著增长。针对使用Kriging代理模型进行飞行器优化过程中CFD/CAA计算、构建Kriging代理模型、Memetic算法搜索等三个阶段中的计算瓶颈,本文通过使用GPU+CPU这一异构计算技术设计了行之有效的算法。我们针对GPU的体系结构设计出高效的构建Kriging代理模型的方法和优化搜索算法,结果表明构建Kriging代理模型可获得220倍加速比,搜索算法可达8倍加速比。同时我们以圆管声传播为例,对计算气动声学中高精度紧致格式进行了GPU和集群实现,表明GPU加速计算在达到和集群同样效率时功耗更低。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章 绪论  10-15
  1.1 课题研究背景  10-12
  1.2 国内外研究现状  12
  1.3 本文主要工作  12-15
第二章 GPU 与并行计算技术  15-30
  2.1 传统并行计算技术  15-21
    2.1.1 并行计算的需求  15
    2.1.2 并行计算的发展  15-19
    2.1.3 并行计算的相关概念  19-21
  2.2 GPU 并行计算技术  21-28
    2.2.1 GPU 计算的发展  21-23
    2.2.2 CUDA 编程模型  23-25
    2.2.3 CUDA 存储器模型及性能优化  25-28
  2.3 异构计算技术  28-29
  2.4 本章小结  29-30
第三章 Kriging 代理模型及并行实现  30-45
  3.1 Kriging 代理模型介绍  30-34
    3.1.1 常用代理模型介绍  30-33
    3.1.2 Kriging 代理模型优点  33-34
  3.2 Kriging 代理模型的建立  34-38
    3.2.1 实验设计方法  34-35
    3.2.2 Kriging 的构建  35-38
  3.3 Kriging 代理模型的异构平台实现  38-42
    3.3.1 研究背景  38
    3.3.2 算法GPU 并行实现  38-42
  3.4 实验结果及分析  42-44
  3.5 本章小结  44-45
第四章 Memetic 算法及并行实现  45-58
  4.1 研究背景  45-47
    4.1.1 优化算法的应用  45
    4.1.2 传统优化技术  45-47
  4.2 遗传算法  47-50
    4.2.1 遗传算法的基本理论研究  47-48
    4.2.2 遗传算法的基本流程  48-50
  4.3 Memetic 算法  50-54
    4.3.1 Memetic 算法的提出  50-52
    4.3.2 Memetic 算法的构建  52-54
  4.4 Memetic 算法的并行实现  54-55
  4.5 试验结果及分析  55-57
    4.5.1 实验环境  55
    4.5.2 测试用例及条件  55
    4.5.3 试验结果分析  55-57
  4.6 本章小结  57-58
第五章 CFD 及CAA 技术的并行算法研究  58-72
  5.1 研究问题的提出  58-61
    5.1.1 计算流体力学  58-59
    5.1.2 计算气动声学  59-61
  5.2 控制方程及求解  61-67
    5.2.1 LEE 简述  61-63
    5.2.2 空间离散  63-66
    5.2.3 时间推进  66-67
  5.3 并行算法设计与实现  67-69
    5.3.1 GPU 并行算法实现  67-68
    5.3.2 多处理机并行算法实现  68-69
  5.4 试验结果与分析  69-71
  5.5 本章小结  71-72
第六章 总结与展望  72-74
  7.1 工作总结  72-73
  7.2 研究展望  73-74
参考文献  74-80
致谢  80-81
攻读硕士期间发表的论文  81

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 飞机构造与设计 > 总体设计
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