基于GPU的离散模拟统一计算软件框架研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号：
    11272312
  • 项目类别：
    面上项目
  • 资助金额：
    78.0万
  • 负责人：
    王小伟
  • 依托单位：
    中国科学院过程工程研究所
  • 学科分类：
    A0910.计算流体力学
  • 结题年份：
    2016
  • 批准年份：
    2012
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2013-01-01 至2016-12-31

项目摘要

Discrete simulation is one kind of mainstream computational methods, which discretizes the simulation systems into lots of interacting particles and describes the particles with dynamics to reproduce the complex system directly or through statistics. It is an intuitionistic and generic approach in that it covers several length scales of physical system, including microscale, mesoscale and macroscale. Although it has a wide application, several discrete methods can be parallelized with uniform software platform on the same hardware for large-scale simulation. In this project, a uniform framework for parallel computation of discrete method based on GPU is firstly put forward to be studied and implemented. .The hierarchy and main data structure of this software framework are designed with the object-oriented method based on the analysis and abstract of the common algorithm and characteristic and consideration of speciality of different discrete methods..CUDA, OpenMP and MPI is supported and coupled in this software framework and at least four kinds of discrete methods are dealt with, which are molecular dynamics (MD), lattice Boltzmann method (LBM), smooth particle hydrodynamics (SPH) and discrete element method (DEM). Large-scale computational applicateions are performed with this software framework to show its high parallel efficiency, good scalability and good generality.
离散模拟是一种主要的计算机模拟方法，它将模拟系统离散为大量相互作用的粒子，通过动力学计算描述每个粒子的行为，从而直接或间接复现系统的行为。它涵盖了物理系统微观、介观和宏观的不同尺度，是一类直观而且普适的计算方法，在科学研究和工程技术中得到广泛的应用。离散模拟虽然应用极其多样，却可能用统一的软硬件平台来实现并行计算。本项目基于在科学计算领域已崭露头脚的GPU，研究多种主流离散方法的大规模计算实现，对这些模拟方法进行分析抽象，提炼其共性的算法和特征，首次提出一个基于GPU平台的高效、统一的大规模离散模拟软件框架。采用面向对象的设计方法，研究确定该框架的层次结构及主要数据结构。计算框架支持CUDA、OpenMP和MPI三种主流并行编程环境，可用于分子动力学、格子玻尔兹曼方法、光滑粒子流体力学、离散元方法等在GPU集群上的大规模耦合应用计算，并且具有较高的计算效率和较好的通用性、易用性和可扩展性。

结项摘要

离散模拟是一种主流的计算机模拟方法，它将模拟系统离散为大量相互作用的粒子，通过动力学计算描述每个粒子的行为，从而直接或间接复现系统的行为。它涵盖了物理系统微观、介观和宏观的不同尺度，是一类直观而且普适的计算方法，在科学研究和工程技术中得到广泛的应用。离散模拟虽然应用极其多样，却可能用统一的软硬件平台来实现并行计算。本项目基于在科学计算领域应用广泛的GPU，归纳分析了多种主流离散方法的计算特性和大规模计算实现的方法，对这些模拟方法进行分析抽象，提炼其共性的算法和特征，首次提出一个基于GPU平台的高效、统一的大规模离散模拟软件框架。采用面向对象的设计方法，研究确定该框架的层次结构及主要数据结构。计算框架支持CUDA、OpenMP和MPI三种主流并行编程环境，可用于分子动力学、格子玻尔兹曼方法、光滑粒子流体力学、离散元方法等在GPU集群上的大规模耦合应用计算。采用该软件计算框架，开展了一些应用计算包括了：颗粒流系统模拟、硅晶分子模拟、气固系统直接模拟、多孔介质流动、气固悬浮床多尺度模拟和循环流化床全回路模拟等，这些应用的成功表明了该计算框架具有较高的计算效率和较好的通用性、易用性和可扩展性，为在高性能计算机上利用离散方法进行科学研究和工程计算奠定了良好基础。

项目成果

期刊论文数量（6）
专著数量（1）
科研奖励数量（0）
会议论文数量（0）
专利数量（0）
Molecular dynamics simulation overcoming the finite size effects of thermal conductivity of bulk silicon and silicon nanowires
分子动力学模拟克服块体硅和硅纳米线导热系数的有限尺寸效应
  • DOI：
    10.1088/0965-0393/24/4/045005
  • 发表时间：
    2016-05-01
  • 期刊：
    MODELLING AND SIMULATION IN MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING
  • 影响因子：
    1.8
  • 作者：
    Hou, Chaofeng;Xu, Ji;Li, Jinghai
  • 通讯作者：
    Li, Jinghai
EMMS-based discrete particle method (EMMS-DPM) for simulation of gas-solid flows
基于 EMMS 的离散粒子法 (EMMS–DPM)，用于模拟气体–固体流动
  • DOI：
    10.1016/j.ces.2014.08.004
  • 发表时间：
    2014-12-16
  • 期刊：
    CHEMICAL ENGINEERING SCIENCE
  • 影响因子：
    4.7
  • 作者：
    Lu, Liqiang;Xu, Ji;Li, Jinghai
  • 通讯作者：
    Li, Jinghai
Simulation of dynamic fluid-solid interactions with an improved direct-forcing immersed boundary method
使用改进的直接强迫浸入边界法模拟动态流固相互作用
  • DOI：
    10.1016/j.partic.2014.05.004
  • 发表时间：
    2015-02-01
  • 期刊：
    PARTICUOLOGY
  • 影响因子：
    3.5
  • 作者：
    Di, Shengbin;Ge, Wei
  • 通讯作者：
    Ge, Wei
Numerical simulation of stirred tanks using a hybrid immersed-boundary method
使用混合浸入边界法对搅拌槽进行数值模拟
  • DOI：
    10.1016/j.cjche.2016.05.031
  • 发表时间：
    2016-09
  • 期刊：
    Chinese Journal of Chemical Engineering
  • 影响因子：
    3.8
  • 作者：
    Di, Shengbin;Xu, Ji;Chang, Qi;Ge, Wei
  • 通讯作者：
    Ge, Wei
Computer virtual experiment on fluidized beds using a coarse-grained discrete particle method-EMMS-DPM
粗粒离散粒子法-EMMS-DPM流化床计算机虚拟实验
  • DOI：
    10.1016/j.ces.2016.08.013
  • 发表时间：
    2016-11
  • 期刊：
    Chemical Engineering Science
  • 影响因子：
    4.7
  • 作者：
    Jiang, Yong;Zhao, Mingcan;Liu, Xinhua;Li, Jinghai
  • 通讯作者：
    Li, Jinghai

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其他文献

Restricted t-wise L-intersecting families on set systems
集合系统上的受限 t 向 L 相交族
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  • 发表时间：
    2011-04
  • 期刊：
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    1
  • 作者：
    康庆德;刘久强;王小伟
  • 通讯作者：
    王小伟
一种面向文物本体微小变化监测的三点重定位方法
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    2017
  • 期刊：
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  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    王小伟;柴勃隆;丁淑君;孙济洲
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    孙济洲
时滞脉冲周期细胞神经网络指数稳定性的平均准则（英文）
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    2015
  • 期刊：
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  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    宋学力;赵盼;王小伟
  • 通讯作者：
    王小伟
基于格子玻尔兹曼方法的单孔射流鼓泡床的离散颗粒模拟
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    2013
  • 期刊：
    科学通报
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    张博;王利民;王小伟;张现仁;葛蔚;李静海
  • 通讯作者：
    李静海
考虑通氧环境的预应力锚杆腐蚀损伤时变特征研究
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    --
  • 期刊：
    长江科学院院报
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    王小伟;朱杰兵;阮怀宁;程伟健;Jiabin li
  • 通讯作者：
    Jiabin li

其他文献

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王小伟的其他基金

气力输送过程中可变形的丝状颗粒运动的离散模拟
  • 批准号：
    20906091
  • 批准年份：
    2009
  • 资助金额：
    20.0 万元
  • 项目类别：
    青年科学基金项目

相似国自然基金

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课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
研究创新点：本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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