(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210587677.4 (22)申请日 2022.05.27 (71)申请人 中国科学院地球环境研究所 地址 710061 陕西省西安市雁塔区雁翔路 97号 申请人 西安理工大 学 (72)发明人 韩浩　金钊　侯精明　蔺铭益　 (74)专利代理 机构 西安弘理专利事务所 61214 专利代理师 韩玙 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 9/50(2006.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01) (54)发明名称 基于多GPU并行框架的河流泥沙输移过程数 值模拟方法 (57)摘要 本发明的基于多GPU并行框架的河流泥沙输 移过程数值模拟方法， 具体为： 将计算区域划分 为与GPU数量相同的三角形网格计算区域； 对变 量进行初始化； 创建2个CUDA流控制2个GPU并行 计算， 将每个河道的数据存储到对应的GPU中； 直 接进行GP U和GPU间数据通信； 在每个GP U中， 计算 每个三角形网格的源项和通量得到水深值， 再由 水深计算每个网格的水位值； 根据得到的水位 值， 将每个GP U中计算的水位结果数据存储到CP U 中完成水位数据合并； 计算得到每个时刻河流的 每个河段和出口断面的水位值。 本发 明采用基于 三角形网格的多GPU并行计算的河流泥沙输移过 程模拟方法， 能高效模拟河流区域泥沙输移过 程， 且能快速预测断面的水位 值。 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 CN 114997006 A 2022.09.02 CN 114997006 A 1.基于多GPU并行框架的河流泥沙输移过程数值模拟方法， 其特征在于， 具体按照以下 步骤实施： 步骤1， 将整个河流划分为相同长度的两段河道， 再将两段河道所在两部分计算区域细 分计算区域一和计算区域二， 两计算区域中间相邻的两列计算网格区域为重叠区域， 所述 计算区域 一和所述计算区域 二均由多个三角形的非结构网格组成； 步骤2， 将重 叠区域中间边界左右两侧的三角形网格一 一对应共用一条边； 步骤3， 对水流及泥沙耦合过程中的变量进行初始化， 并设定计算总历时、 边界条件， 设 定每一次迭代计算的时间步长值 为Δt； 步骤4， 创建两个GPU， 分别将计算区域 一和计算区域 二存储到对应的GPU中。 步骤5， 创建两个CUDA流， 为每个GPU分配内存， 将初始化后的变量从CPU中分别复制到 对应的GPU内存中； 步骤6， 在多GPU中进行河流泥沙输移过程的并行计算， 根据设定的时间步长Δt计算， 完成第一次 时间步长计算， 得到每 个河段下游出口断面的水位 值； 步骤7， 根据设定的计算总历时， 在每个GPU中更新时间步长， 重复步骤6， 进行循环计 算， 直到所有时间步长的循环计算任务完成后， 将每个GPU计算的结果数据存储到CPU中进 行合并后输出。 2.根据权利要求1所述的基于多GPU并行框架的河流泥沙输移过程数值模拟方法， 其特 征在于， 所述步骤2具体按以下步骤实施： 将 重叠区域两侧的网格单元均划分为整齐的一列 网格单元， 重叠区域中间边界左右两侧的三角形网格一一对应共用一条边， 保证重叠区域 的共用边上的界面 通量能计算 正确。 3.根据权利要求1所述的基于多GPU并行框架的河流泥沙输移过程数值模拟方法， 其特 征在于， 步骤3中， 所述变量包括： 降雨、 入流流量、 地形高程、 曼宁系数、 床沙泥沙浓度、 悬移 质泥沙浓度； 所述边界条件包括： 时间步长值Δt、 总历时值、 河道上游入口边界、 下游出口 边界、 河道两侧的边界。 4.根据权利要求1所述的基于多GPU并行框架的河流泥沙输移过程数值模拟方法， 其特 征在于， 步骤6具体为： 在 多GPU中进行并行计算， 并将 重叠区域中间边界左右两侧的网格计 算结果进行GPU和GPU间数据交换通信， 在两个GPU上分别同步计算每个三角形网格界面的 源项和通量得到水深值， 再在两个 GPU上同步计算水深， 得到每个河段下游出口断面的水位 值。 5.根据权利要求4所述的基于多GPU并行框架的河流泥沙输移过程数值模拟方法， 其特 征在于， 所述并行计算方式为： 建立了水流及泥沙过程耦合输移方程， 采用有限体积法对输 移方程进行离 散求解； 输移方程具体表示 为： 权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114997006 A 2式中： q——为qx、 qy、 h的变量矢量， 其中qx、 qy分别为x和y方向的单宽流 量， h为水深； f、 g——为x和y方向的通 量矢量； S——为源项矢量； η——为水位 值； zb——为河道的地形高程； u、 v——为x和y方向的流速， 其中为qx＝uh和qy＝vh； g——为重力系数， g＝9.81m/s2； C1、 C2——为悬移质泥沙和床沙泥沙的浓度； β ——为淤积物和水流的速度差值； Sx1、 Sx2——为x方向悬移质泥沙和床沙泥沙的底坡 源项； Sy1、 Sy2——为y方向悬移质泥沙和床沙泥沙的摩阻力源项； E1、 D1——为悬移质泥沙沉积率和携沙率； E2、 D2——为床沙泥沙沉积率和携沙率。 6.根据权利要求1所述的基于多GPU并行框架的河流泥沙输移过程数值模拟方法， 其特 征在于， 步骤7中， 在2个GPU中对时间步长进行更新计算， 并将重叠区域中间边界左右两侧 的网格计算结果进行GPU和GPU间数据交换通信， 在2个 GPU上同步并行计算水流及 泥沙过程 耦合的输移过程， 直到所有时间步长的循环计算任务完成后， 将2个GPU的计算结果数据复 制存储到CPU中， 结果数据包括计算区域每个网格的坐标数据、 地形高程数据、 水位数据， 再 将这些数据进行数据合并， 最后提取每个时刻的水位值， 计算得到多个历时的每个河段下 游出口断面的水位 值。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114997006 A 3