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为了解决采用单处理器计算机进行大型水利水电工程全系统瞬变流计算时速度慢和存储量小的问题,在对大型水利水电工程全系统瞬变流计算的并行性进行分析的基础上,建立了全系统瞬变流并行计算的模型。以某大型引水工程为例,根据负载平衡的原则划分并行计算任务,采用消息传递并行编程模式,通过调用MPI库函数实现并行计算部分间的消息传递。当使用两台计算机并行计算时,计算的加速比达到1.442,且并行和串行计算结果相同。
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ISSN 1000-0054
CN
11-2223/N
清华大学学报 (自然科学版)
J T singhua U niv (Sci& T ech),
2006 年 第 46 卷 第 5 期
2006, V ol.46, N o.5
22/35
696-699,703
大型水利水电工程全系统瞬变流并行计算
樊红刚, 陈乃祥, 杨 琳
(清华大学 热能工程系, 北 京 100084)
收稿日期: 2005-06-15
作者简介: 樊红刚 (1976-), 男 ( 汉), 山 西, 助理 研 究员。
E -m ail: fanhonggang@ tsinghua.org.cn
摘 要: 为了解决采用单处理器计算机进行大型水利水电
工程全系统瞬变流计算时速度慢和存储量小的问题,在对大
型水利水电工程全系统瞬变流计算的并行性进行分析的基
础上,建立了全系统瞬变流并行计算的模型。以某大型引水
工程为例,根据负载平衡的原则划分并行计算任务,采用消
息传递并行编程模式,通过调用 M PI库函数实现并行计算
部分间的消息传递。当使用两台计算机并行计算时,计算的
加速比达到 1.442, 且并行和串行计算结果相同。
关键词: 水利水电工程; 水力机械; 并行计算; 瞬变流
中图分类号:TK 72 文献标识码:A
文章编号: 1000-0054(2006)05-0696-04
Parallel transient flo w co m putations o f
large hydraulic systems
FANHonggang
,
CHEN Naix iang
,
YANG L in
(
Department of Thermal Eng inee ring
,
Tsinghua University
,
Beijing 100084
,
China
)
Abstract
: W ith single processor com puters, transient sim ulations of
th e flo w in large hydraulic system s are very lim ited by th e
com puter's speed and m em ory. T h erefore, parallel processors are
frequently used for transient flow com putations in large system s. A
parallel processor program w as developed to analyze hy draulic flow
problem s w ith th e M P I libra ry functions called to pass m essages.
T he paralleltransientflow com putations for a large diversion project
h ave an accelerator facto r of 1.442 w ith tw o com puters w ith th e
results the sam e as using a serialcom putation.
Key words
: h yd rau lic engineering; h y d raulic m achinery; parallel
com putation; transient flow
随着水利水电工程建设规模的加大,其中水力
机械装置系统的结构也越复杂,规模也越大,对其进
行全系统瞬变流计算需要处理的数据量和计算量也
随之加大。采用传统的串行算法在单处理器计算机
上计算,不仅计算速度慢,而且对于大型系统可能由
于其存储容量的限制而不能满足计算要求。另一方
面,在大型水电工程的仿真中,由于单处理器计算机
串行计算速度的限制,很难实现实时仿真,因此必须
提高计算速度。
本文分析了水力机械装置系统瞬变流计算的可
并行性,建立了瞬变流并行计算的模型,并对某大型
引水工程编程实现了并行计算,加快了计算速度,为
大规模水力机械装置系统的全系统瞬变流仿真计算
的实现打下了基础。
1
瞬变流计算的并行性分析及实现
1
.
1
瞬变流计算并行性分析
水力机械装置系统中,水库、水泵、水轮机、阀
门、空气阀、调压井、空气罐、闸门等元件通过管道、
明渠、隧洞等连接,系统中可能出现管道流动、明渠
流动、明满交替流动等流态。全系统瞬变流计算时,
管道、明渠、隧洞根据其中流动状态进行过渡过程计
算,而和其相连的各元件作为相应的边界条件进行
计算,管道和管道连接、明渠和明渠连接、管道和明
渠连接也作为边界条件计算。水力机械装置系统瞬
变流串行计算框图见图 1, 图中
t
为系统瞬变流计
算的当前时间,
t
max
为设定的系统瞬变流计算的总
时间。
在全系统的瞬变流计算中,管道流动、明渠流动
可以采用特征线法
[1]
计算,主要分两部分,就是边界
计算和中间节点计算。各种边界计算时只和与其相
连管道或明渠中的邻近节点有关,由中间节点的计
算提供。而管道和明渠中间节点的计算则和其相应
的边界点有关,由边界计算提供。对于明满交替流
动,由于采用特征隐式格式
[2 ]
,边界和中间节点计
算统一于一个方程组中。相连的管道流、明渠流、明
满交替流之间在计算时也互为边界。因此,在同一时
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