并行化河流数学模型研发及应用

　　河流动力学数学模型中，包括洪水淹没过程模型、泥沙输移及河床演变模型和水质演变模型等，通常涉及大规模的计算，特别是在三维非恒定流的情况时，计算量将巨大。为了满足实际工程和生产生活的需要，必须加速模型的计算效率，尽可能在*短时间内给出计算结果，以指导相关的信息发布。本出版的著作，包含：采用CPU-GPU异构并行开发和应用平面二维洪水淹没模型，以及采用MPI机制的多核和计算集群并行开发和应用三维非结构网格的水动力-泥沙-水质耦合模型。以上开发的并行化河流动力学数学模型已成功应用于哈尔滨市城市防洪和长江三峡水库的河床演变及水质变化的应用。

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目录
第1章 并行计算概况 1
1.1 并行计算机的发展 1
1.2 并行算法的应用 3
1.3 并行硬件的构架 4
1.3.1 单核处理器 4
1.3.2 多核处理器 4
1.3.3 异构并行设备 5
第2章 并行化河流动力学数学模型 6
2.1 山区型急流数学模型 6
2.2 河口型缓流数学模型 8
2.3 洪水淹没数学模型 10
2.3.1 洪水淹没模型的并行化需求 10
2.3.2 洪水淹没模型的并行化方式 12
2.3.3 同构并行化洪水淹没模型 12
2.3.4 异构并行化洪水淹没模型 14
2.3.5 其他并行机制的洪水淹没模型 17
2.4 并行化河流数学模型的发展 19
2.4.1 同构并行化河流数学模型 19
2.4.2 异构并行化河流数学模型 20
2.5 各种河流数学模型的适用性 22
2.6 并行化河流数学模型的发展 22
第3章 并行化洪水淹没模型原理及应用 24
3.1 一维浅水方程 24
3.1.1 有限体积法离散 24
3.1.2 时间项离散 25
3.1.3 Roe格式 25
3.1.4 二阶重构 26
3.2 二维浅水方程 27
3.3 CPU并行化实施 29
3.3.1 多核CPU的基本架构 30
3.3.2 结构网格离散 30
3.3.3 线程并行化实施 31
3.3.4 MPI并行化实施 32
3.4 GPU异构并行化实施 33
3.4.1 GPU硬件架构 33
3.4.2 CUDA编程 34
3.4.3 浅水方程求解的CUDA并行 36
3.4.4 并行化洪水淹没模型结构 38
3.5 模型验证 40
3.5.1 一维溃坝激波 40
3.5.2 二维溃坝激波 41
3.6 并行计算效率评价 43
3.6.1 并行计算效率评价指标 43
3.6.2 计算条件设置 44
3.6.3 CPU并行计算效率评价 45
3.6.4 GPU并行计算效率评价 48
3.6.5 计算过程资源监控 53
3.7 哈尔滨胖头泡蓄滞洪区洪水淹没过程模拟 54
3.7.1 胖头泡蓄滞洪区概况 54
3.7.2 计算区域设置 56
3.7.3 边界条件施加 58
3.7.4 胖头泡分洪过程模拟 59
3.7.5 不同因素对洪水淹没过程的影响 64
3.7.6 并行计算效率评估 72
3.7.7 洪水风险评估 72
第4章 并行化平面二维水质模型原理及应用 74
4.1 富营养化数学模型研究现状 74
4.2 富营养化数学模型离散 77
4.2.1 控制方程 77
4.2.2 非结构网格离散 79
4.2.3 对流扩散项离散 80
4.2.4 数值通量 81
4.2.5 时间项离散 83
4.2.6 源项处理 85
4.2.7 边界条件 86
4.3 平面二维水质模型计算流程 88
4.4 污染物扩散系数选取 89
4.5 水质模型验证 89
4.5.1 单弯道水槽试验验证 89
4.5.2 连续弯道水槽试验验证 92
4.6 香溪河水质平面二维数值模拟 96
4.6.1 香溪河支流概况 96
4.6.2 香溪河地形处理 97
4.6.3 香溪河富营养化初步分析 99
4.6.4 香溪河水动力场模拟 100
4.6.5 香溪河水质模拟 102
第5章 并行化粒子轨迹跟踪模型原理及应用 113
5.1 粒子轨迹跟踪模型概述 113
5.2 粒子轨迹跟踪模型的基本原理 114
5.2.1 控制方程 114
5.2.2 粒子轨迹跟踪计算流程 115
5.2.3 粒子空间位置的搜索算法 117
5.3 粒子轨迹跟踪模型的验证 123
5.4 粒子轨迹跟踪模型在香溪河的应用 125
5.4.1 三峡水库蓄水期 125
5.4.2 三峡水库泄水期 127
第6章 并行化三维水动力水质耦合模型原理及应用 130
6.1 概述 130
6.2 水华发生机理初步分析 133
6.3 水动力学模型 136
6.4 水质模型 137
6.4.1 简化的水质模块 137
6.4.2 复杂的水质模块 138
6.4.3 溶解氧模块 144
6.4.4 悬移质泥沙模块 149
6.4.5 水温模块 150
6.4.6 碳循环计算模型 156
6.5 底泥生化反应模块 157
6.5.1 底泥溶解氧模块 157
6.5.2 简化的底泥生化反应模块 159
6.5.3 底泥生化反应动力学模型 159
6.5.4 底泥与上覆水间的物质交换通量 163
6.6 浮游植物动力学模块 163
6.7 耦合模型计算流程 167
6.8 模型验证 168
6.8.1 单弯道水槽试验验证 168
6.8.2 连续弯道水槽试验验证 169
6.9 耦合模型在香溪河库湾的应用 173
6.9.1 香溪河库湾概况 173
6.9.2 水华促发因子分析 174
6.9.3 耦合模型率定结果分析 177
6.9.4 率定期的物质输移质量变化 183
6.9.5 耦合模型验证结果分析 187
6.9.6 验证期的物质输移质量变化 191
6.9.7 计算误差分析 193
6.9.8 香溪河库湾水华防治工程措施探讨 194
6.10 耦合模型在三峡库区的应用 198
6.10.1 湖北省境内三峡库区概况 199
6.10.2 模型设置 199
6.10.3 模型率定 203
6.10.4 模型验证 211
6.10.5 气候变化背景下的三峡水库水质变化趋势探讨 217
6.10.6 多介质耦合模拟 219
第7章 并行化高阶湍流模型原理及应用 228
7.1 水动力学模型 228
7.1.1 静水压力模式的控制方程 228
7.1.2 动水压力模式的控制方程 230
7.1.3 物理变量存储 230
7.2 垂向坐标系统 232
7.2.1 垂向s-z坐标系统构成及转换 232
7.2.2 垂向s-z坐标系统下的数值离散 234
7.3 控制方程的数值离散 234
7.3.1 连续方程离散 234
7.3.2 水平动量方程离散 235
7.3.3 垂向动量方程离散 236
7.3.4 物质输移方程离散 237
7.3.5 水平黏性项计算 238
7.3.6 对流项离散 239
7.3.7 边界条件施加 240
7.4 紊流封闭模型 242
7.4.1 零方程模型 243
7.4.2 双方程模型 243
7.4.3 湍流模型数值离散 245
7.4.4 高阶壁面湍流模型 246
7.5 动水压力 251
7.5.1 正压模式下的控制方程离散 251
7.5.2 斜压模式下的控制方程离散 254
7.5.3 动水压力模式下的动量方程离散 255
7.6 高阶湍流模型应用 259
7.6.1 研究区域概况 259
7.6.2 现场湍流观测 262
7.6.3 网格生成和模型设置 263
7.6.4 网格质量和灵敏度分析 264
7.6.5 湍流时空演变 266
7.6.6 模拟结果验证 267
7.6.7 动水压力与涡旋 269
7.6.8 三峡水库蓄水的影响分析 273
参考文献 276