研究论文

基于格子Boltzmann方法的湿土边界层水汽输送高效GPU模拟器：开发和实验验证

作者：
雅库布·克林科夫斯克

捷克共和国布拉格特洛伊亚诺娃市捷克技术大学核科学与物理工程学院

捷克共和国布拉格Trojanova 13，120 00捷克技术大学核科学与物理工程学院
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安德鲁·特劳茨

研究土木工程师——美国陆军工程师研究与开发中心岩土工程和地球科学分部

美国科罗拉多矿业学院土木与环境工程系地下环境过程实验研究中心

研究土木工程师——美国陆军工程师研究与开发中心岩土工程和地球科学分部

美国科罗拉多矿业学院土木与环境工程系地下环境过程实验研究中心
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拉德克·富奇克

捷克共和国布拉格Trojanova 13，120 00捷克技术大学核科学与物理工程学院

捷克共和国布拉格特洛伊亚诺娃市捷克技术大学核科学与物理工程学院
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蒂萨·伊兰加塞卡

美国科罗拉多矿业学院土木与环境工程系地下环境过程实验研究中心

美国科罗拉多矿业学院土木与环境工程系地下环境过程实验研究中心
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计算机与数学及其应用第138卷问题C2023年5月第65-87页https://doi.org/10.1016/j.camwa.2023.02.021

出版：2023年5月15日出版历史

计算机与数学及其应用

摘要

我们提出了一种有效的计算方法来模拟多孔介质边界层单相自由流中的组分输运。基于该方法的数值模型通过气候控制风洞与土壤试验台耦合的实验数据进行了验证。所开发的建模方法是基于用于模拟流体流动的格子Boltzmann方法（LBM）和用于求解组分输运的混合网格有限元方法（MHFEM）的组合。这两种方法单独或耦合时都完全在GPU加速器上实现，以利用其计算能力并避免GPU和CPU之间通过PCI-E总线进行缓慢通信所造成的硬件限制。为了利用现代超级计算机上可用的大量计算资源，基于域分解和消息传递接口（MPI）将该实现扩展到分布式多GPU计算。我们描述了计算方法背后的数学细节，主要关注耦合机制。求解器的性能在现代高性能计算系统上进行了演示。本文验证了流动和输运模拟结果，并将其与在暴露于稳定气流的平坦部分饱和土层上进行的实验速度和相对湿度测量值进行了比较。在几个不同的实验场景中，通过向水流中引入立方体钝体，证明了模型的鲁棒性和灵活性。实验测量值可在公共数据集中获得，可作为未来研究的基准。最后，我们讨论了该模型的潜在改进以及未来的实验工作。

参考文献

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