基于GPU的粒子系統(tǒng)數(shù)值模擬研究及其應(yīng)用.pdf

1、粒子系統(tǒng)是利用大量粒子進(jìn)行模擬仿真的系統(tǒng),被廣泛應(yīng)用于固顆粒體和流體相關(guān)的仿真中,包括可交互的流體的模擬,游戲中煙霧效果的模擬,天體物理學(xué)中的模擬和分子動(dòng)力學(xué)等。
　　 離散單元法(DiscreteElementMethod,DEM)是粒子系統(tǒng)常用的數(shù)值方法之一[1]?；贒EM方法的粒子系統(tǒng)主要應(yīng)用于泥石流,單螺桿擠出固體傳輸?shù)裙腆w顆粒流的模擬中。DEM將每個(gè)粒子看成介質(zhì)系統(tǒng)中獨(dú)立的實(shí)體,與其他粒子和邊界發(fā)生碰撞和接觸[2,3

2、]。使用這種方法可以動(dòng)態(tài)的模擬粒子流的運(yùn)動(dòng)。
　　 本文使用CUDA,進(jìn)行GPU+CPU異構(gòu)編程,實(shí)現(xiàn)基于離散單元法粒子系統(tǒng)。模擬單螺桿擠出的固體輸送部分,并用OpenGL演示整個(gè)交互過程。仿真系統(tǒng)分為主機(jī)端和設(shè)備端兩部分。主機(jī)端,使用C++語言編寫,構(gòu)造粒子系統(tǒng)類搭建仿真系統(tǒng)的框架,并完成設(shè)備端函數(shù)的封裝,再使用OpenGL繪制場(chǎng)景和螺桿模型;設(shè)備端,使用CUDA編寫,利用GPU多線程并行計(jì)算,實(shí)現(xiàn)鄰域搜索、粒子碰撞處理和粒子

3、狀態(tài)更新。
　　 本文使用了多種優(yōu)化策略。對(duì)粒子的鄰域搜索過程,使用一種更適合并行的搜索算法,采用設(shè)置sharedmemory變量減少對(duì)globalmemory的訪存;使用CUDA流,使用異步拷貝的方式提高主機(jī)端和設(shè)備端數(shù)據(jù)傳輸速度;使用CUDA與OpenGL互操作簡(jiǎn)化主機(jī)端與設(shè)備端傳輸過程;另外,系統(tǒng)還使用程序分支控制、寄存器使用策略、線程維度劃分策略和合并訪問策略來優(yōu)化系統(tǒng)性能,并分別實(shí)驗(yàn)比較策略的效果,選取最優(yōu)策略。分析系