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激波与火焰面相互作用数值模拟的GPU加速

蒋华, 董刚, 陈霄

计算物理 2016, 33 (1): 23-29.

摘要（337）

HTML （0）

PDF （707KB）（1317）

为考察计算机图形处理器（GPU）在计算流体力学中的计算能力，采用基于CPU/GPU异构并行模式的方法对激波与火焰界面相互作用的典型可压缩反应流进行数值模拟，优化并行方案，考察不同网格精度对计算结果和计算加速性能的影响.结果表明，和传统的基于信息传递的MPI 8线程并行计算相比，GPU并行模拟结果与MPI并行模拟结果相同；两种计算方法的计算时间均随网格数量的增加呈线性增长趋势，但GPU的计算时间比MPI明显降低.当网格数量较小时（1.6×10⁴），GPU计算得到的单个时间步长平均时间的加速比为8.6；随着网格数量的增加，GPU的加速比有所下降，但对较大规模的网格数量（4.2×10⁶），GPU的加速比仍可达到5.9.基于GPU的异构并行加速算法为可压缩反应流的高分辨率大规模计算提供了较好的解决途径.

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激波冲击火焰的流动拓扑研究

朱跃进, 董刚

计算物理 2015, 32 (4): 403-409.

摘要（556）

PDF （2635KB）（1015）

为深入研究激波冲击火焰现象的内在机制,采用二维带化学反应的Navier-Stokes方程对现象进行数值研究,通过对速度梯度张量特征方程的分析证明Okubo-Weiss函数适用于可压缩流动,并重点分析火焰区的流动拓扑特性.结果表明,波后火焰区内Okubo-Weiss函数积分量基本守恒,但在火焰区内部和表面具有截然不同的流动状态,且火焰发展基本不受流场可压缩性的影响;波后火焰区的流动拓扑分类主要以焦点和鞍点为主,意味着流场中变形占主导.

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一种非均匀线型的互连线能量分布模型

张岩, 董刚, 杨银堂, 李跃进

计算物理 2014, 31 (1): 109-114.

摘要（328）

PDF （766KB）（1198）

基于互连线信号传输微分方程,推导非均匀互连线的电压和电流分布表达式,根据实际情况,考虑非理性激励提出包括前端驱动和后端负载的二端口非均匀互连电路各部分能量分布表达式.基于65 nm CMOS工艺参数,对方法进行计算仿真验证,计算结果与Hspice仿真结果比较误差小于5%,具有很高的精度.该方法适用于高性能全局互连的前端优化设计分析.

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考虑通孔横向热传输效应的三维集成电路热分析

张岩, 董刚, 杨银堂, 王宁

计算物理 2013, 30 (5): 753-758.

摘要（268）

PDF （1724KB）（1211）

考虑横向热传输效应,构造一种包含通孔结构的叠层芯片三维热传输模型.在具体的工艺参数下验证叠层芯片层数、通孔密度、通孔直径和后端线互连层厚度对三维集成电路热传输的影响.结果显示,采用该模型仿真得到的各层芯片温升要低于不考虑横向热传输时所得到的温升,差异最大可达10%以上,并且集成度要求越高,其横向热传输效应的影响越明显.该模型更符合实际情况,能够更准确地分析三维集成电路的各层芯片温度.

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考虑通孔和边缘效应的互连网络热电分析

王宁, 董刚, 杨银堂, 王增, 王凤娟, 丁灿

计算物理 2012, 29 (1): 108-114.

摘要（275）

PDF （4679KB）（1389）

考虑互连通孔和边缘效应,建立互连层间、层内、通孔热阻模型,利用热电二元性,提出一种考虑温度效应对热流影响的热电耦合仿真方法,利用热电之间的反馈关系,修正建模后的温度分布对节点网络热流的影响.并对以聚合物和硅氧化物为介质的多层互连进行分析,以有限元建模结果为参照,与已有模型相比,互连热分布结果的相对标准差分别降低了71.2%、12.9%.考虑通孔效应和边缘效应后,该方法在不同纳米级工艺中所得峰值温升,较已有模型均有一定程度的降低.

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入射和反射激波诱导轻气泡变形和失稳的计算

朱跃进, 董刚, 刘怡昕, 范宝春

计算物理 2011, 28 (6): 810-816.

摘要（291）

PDF （1103KB）（1078）

采用NS方程对激波诱导球形轻气泡的变形失稳过程进行三维数值模拟,验证本文模型的可靠性,讨论气泡变形、涡环形成及其三维失稳过程.结果发现:球形轻气泡在入射和反射激波先后作用下,可以变形并沿流向形成多个旋转方向不同的涡环,而斜压效应是产生这些涡环的主要原因,涡环不仅在自诱导效应和流场作用下运动,而且自身会受到扰动而发生方位角不稳定.当涡环形成以小尺度流向涡为主的复杂结构时,即有可能诱发流场湍流化.

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考虑互连温度分布的缓冲器插入延时优化方法

董刚, 柴常春, 王莹, 冷鹏, 杨银堂

计算物理 2011, 28 (1): 152-158.

摘要（288）

PDF （503KB）（1167）

针对VLSI设计中存在的互连电感效应、热电耦合以及互连温度分布的问题,提出一种缓冲器插入延时优化方法.首先根据互连温度分布的特点得出其电阻模型和延时模型,通过延时、功耗和温度之间的热电耦合效应求得考虑互连温度分布的缓冲器插入最优化延时,利用Matlab软件求得最佳优化结果.采用该方法针对45 nm工艺节点的缓冲器插入进行分析和验证,证实了方法的有效性.研究表明,忽略互连电感效应会高估芯片的优化延时,忽略互连温度分布会低估芯片的优化延时,在全局互连尺寸较小(线宽为245 nm)时,忽略互连温度分布会低估互连延时8.71%.

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变密度随机涡模型在湍流射流扩散火焰中的应用

朱跃进, 董刚, 刘怡昕, 范宝春

计算物理 2011, 28 (1): 27-34.

摘要（297）

PDF （571KB）（1022）

采用变密度随机涡模型,对H₂/O₂/N₂湍流射流扩散火焰进行数值模拟,湍流过程通过涡的采样、涡的抑制和涡的翻转实现.其中,针对变密度反应流问题,提出一种大涡抑制的新机制,并详细讨论各种参数对模型预测效果的影响.计算结果表明,修改后的模型可以合理预测H₂/O₂/N₂射流火焰结构,能够反映湍流的涡特性;模型中与涡采样和涡抑制有关的参数对预测结果有一定影响.

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钝体驻定湍流扩散火焰的数值研究——燃烧模型比较

黄庆, 朱旻明, 叶桃红, 陈义良, 董刚

计算物理 2010, 27 (2): 229-239.

摘要（295）

PDF （549KB）（1052）

分别采用标量联合的概率密度函数方法、稳态火焰面模型、Euler非稳态火焰面模型和基于有限体积/Monte Carlo混合算法的完备PDF模型对钝体驻定的Sydney湍流扩散火焰HM1进行数值模拟,以比较不同燃烧模型的性能,并比较标量联合的概率密度函数方法和Euler非稳态火焰面模型对氮氧化物排放预测的差异.计算结果和实验数据的比较表明,采用概率密度函数方法计算化学反应可以得到更好的结果但计算量较大,而用火焰面模型求解计算量较小,在接近完全燃烧的情形下,其计算结果比较合理.

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气相爆轰模拟的化学反应加速算法

董刚, 范宝春

计算物理 2009, 26 (1): 27-34.

摘要（249）

PDF （468KB）（1163）

针对反应流中刚性化学反应源项传统算法计算量大的特点,提出加速化学反应计算速度的动态数据表存储/删除算法,在二维气相爆轰的数值模拟中进行检验,研究节点删除和整体删除两种不同方式的效果,并与传统直接积分的算法进行比较.计算结果表明,该算法既可以很好地满足计算精度的要求,同时也对计算机内存没有苛刻的要求.当数据表数据容量一定时,计算的加速比随控制容差的增加而增加,在相同的容差条件下,节点删除算法比整体删除算法加速效果明显.并且在处理瞬态反应流问题时显示了很好的优越性.

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PDF方法模拟钝体驻定的湍流扩散火焰

黄庆, 朱旻明, 叶桃红, 刘明侯, 陈义良, 董刚

计算物理 2008, 25 (6): 733-743.

摘要（253）

PDF （600KB）（1186）

采用标量联合的概率密度函数方法,对钝体驻定的湍流射流扩散Sydney火焰HM1进行数值模拟,结合当地自适应建表方法加速化学反应计算,用修正的LRR-IP雷诺应力模型求解速度场.首次对3种不同规模的甲烷化学反应动力学机理进行研究,并与实验数据进行比较,结果表明,模型和反应机理很好地预测了速度场和标量场的变化及局部熄火现象,而考虑反应机理中的C2化学对火焰HM1的影响不大.

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基于S域RLC传输线模型的多芯片组件互连功耗计算

董刚, 杨银堂, 李跃进

计算物理 2006, 23 (6): 753-756.

摘要（270）

PDF （208KB）（1052）

为了分析多芯片组件的互连功耗,用RLC传输线模型对多芯片组件的互连进行表征,通过对输入互连的电流及其等效电阻的近似,推导出多芯片组件互连功耗的频域数学表达式,给出计算机仿真试验结果,对方法的有效性进行验证.

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基于波传播算法的火焰不稳定性

董刚, 靳建明, 叶经方, 范宝春

计算物理 2005, 22 (4): 371-376.

摘要（241）

PDF （514KB）（1092）

基于波传播算法构造了多组分反应流的数值格式,利用CH₄/空气基元反应动力学模型,并采用分离算法,对CH₄/空气混合物中,入射激波与火焰的相互作用,以及反射激波与火焰的二次作用过程进行了数值模拟.根据计算结果,讨论了激波诱导火焰失稳的发展过程及其特点.结果表明,Helmholtz不稳定、Richtmyer-Meshkov不稳定以及反应放热速率对火焰失稳过程有重要影响.计算结果与实验结果进行了比较,对数值方法的有效性进行了验证.

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轴对称钝体后湍流扩散燃烧的PDF模拟

朱明, 陈义良, 王海峰, 董刚

计算物理 2004, 21 (3): 351-356.

摘要（282）

PDF （360KB）（1158）

在无结构网格中,对轴对称钝体驻定的湍流扩散火焰进行数值模拟.采用有限容积(FV)/Monte Carlo(MC)混合算法求解湍流燃烧问题的混合算法.Monte Carlo法求解脉动速度标量频率的联合概率密度函数方程,有限容积法求解平均质量、动量和能量方程.求解的两组方程是相容的,合理的耦合方式可以减少统计偏差,计算精度和效率显著优于单独的颗粒方法.文中对化学反应采用层流火焰面模型,并将数值计算结果与实验结果作了比较和分析.

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