基于CUDA的地下水流数值模拟研究

【摘要】利用数值模拟手段对地下水运移规律、变化趋势进行分析，可以有效的应对水资源管理评价问题。目前，地下水数值模拟软件进展迅猛，越来越多的并行方案使得地下水数值模型的运算速度较以往有较大提高。对于一般科研人员，具有低成本、易开发、高效率等特点的并行平台是地下水数值模拟软件并行化过程中所亟需的。本文基于NVIDIA推出的统一计算架构平台（AGENERAL-PURPOSEPARALLELCOMPUTINGPLATFORMANDPROGRAMMINGMODEL，ComputeUnifiedDeviceArchitecture，简称CUDA）结合了地下水流数值模拟程序MODFLOW编制了基于CUDA的PCG程序包GPCG，实现了MODFLOW在GPU设备上的并行计算并将该程序应用于不同尺度实际模型中。研究成果表明，利用CUDA进行并行化编程，能够快速实现程序的并行化，具有广泛的应用前景。通过研究CUDA平台架构，深入了解其在并行计算上的优势；建立了三个不同尺度的理想模型行（100万网格、200万网格、400万网格）用于测试基于CUDA平台的MODFLOW改进程序的计算准确性和运行效率，得到了整体加速比约2.5倍，迭代求解部分加速比约11倍的结论。证明了CUDA平台在地下水数值模拟应用上的可行性和运行结果的可靠性。将该程序分别应用在华北平原、大兴岩溶水不同尺度数值模拟模型上，验证了该程序运行结果的可信度，得到了模型整体加速比最高约2.16倍的结果。数据分析表明，改进后的MODFLOW程序能够有效减少迭代部分时间所占模型整体运行时间的比例；不同模型尺度的对比结果表明，随着网格数目的增加，CUDA平台求解的优势越发明显，加速比越高。本文通过研制基于CUDA的PCG并行算法，使得程序可以在具有GPU的笔记本电脑、小型计算机等设备上使用，为实现低成本、高效率的并行算法提供了依据。
【作者】周岩；
【导师】崔亚莉；
【作者基本信息】中国地质大学（北京），水利工程，2014，硕士
【关键词】CUDA；地下水数值模型；PCG；华北平原；大兴岩溶水；

【参考文献】
[1]唐念.含多种分布式电源的配电网扩展规划[D].北京交通大学,2015.
[2]于恒宝.武装部常务管理系统的设计与实现[D].吉林大学,软件工程,2013,硕士.
[3]钟耀华.刘桥一矿Ⅱ66辅助下山围岩稳定性分析及控制技术研究[D].中国矿业大学,采矿工程,2014,硕士.
[4]王瑞.基于超完备字典的信号快速稀疏分解及重构算法研究和应用[D].西北大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[5]王艳丽.~(18)F-FDG PET-CT双时相显像联合诊断性CT对肺内孤立结节的诊断价值研究[D].山东大学,影像医学与核医学（专业学位）,2013,博士.
[6]王正.人造板宽带式砂光机的振动试验模态分析[D].南京林业大学,木材科学与技术,2004,硕士.
[7]刘晓东,汪盛烈,何云贵.快速激光雕刻算法的理论与实践研究[J].自动化学报,2000,03:365-368.
[8]姚舜.金属—电介质/金属微腔结构中模场及其耦合特性研究[D].哈尔滨工业大学,光学,2013,硕士.
[9]刘洪学.大倾角煤层综放工作面底板破坏滑移机理研究[D].西安科技大学,采矿工程,2014,硕士.
[10]徐攀.岷江（外江）流域新津县境段水质模拟[D].西南交通大学,环境科学,2013,硕士.
[11]荣建龙.新疆劳教戒毒局综合业务管理系统设计和实现[D].厦门大学,软件工程,2014,硕士.
[12]于进洋.西藏羊易高温水热型地热井筒温度场研究[D].中国地质大学（北京）,钻井工程,2013,硕士.
[13]陈益兵.高速织机粘弹性经纱横向振动特性研究[D].浙江理工大学,机械电子工程,2013,硕士.
[14]侯蕴高.甘肃省服务型政府门户网站运行机制研究[D].兰州大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[15]石之光.现代城市设计中不可缺少的乐章——公厕的建设[J].中外建筑.1997(04)
[16]曹丽军.没食子酸基环氧树脂的合成及其在纳米复合材料中的应用[D].河北大学,2013.
[17]任新宇.无轴承永磁薄片电机绕组及功率系统故障容错控制的研究[D].南京航空航天大学,电力电子与电力传动,2013,硕士.
[18]徐宝林.基于siRNA-mRNA结合热力学特征的高效siRNA筛选方法研究[D].吉林大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[19]张斌.试论萨特《禁闭》的剧本解读与舞台呈现[D].中国艺术研究院,戏剧戏曲学,2013,硕士.
[20]樊树宝.板坯连铸辊长寿命技术的探究[D].燕山大学,机械工程,2013,硕士.
[21]蒋佳丽.第一性原理研究替换和掺杂对于储氢材料（Mg_2NiH_4、NaAlH_4）性质的影响[D].北京化工大学,化学工程与技术,2013,硕士.
[22]奚希.户外自助旅游法律问题研究[D].首都经济贸易大学,法律（专业学位）,2014,硕士.
[23]曾来海.民国时期报业管理学术思想研究[D].南京师范大学,新闻学,2014,博士.
[24]衣梦霏.中国援非对中非贸易的影响[D].东北财经大学,国际贸易学,2012,硕士.
[25]韦静.基于瞬变电磁法的盾构挖掘地质勘探应用研究[D].沈阳工业大学,仪器仪表工程,2013,硕士.
[26]吴栋栋.基于模板的会话式数控编程技术研究与实现[D].华中科技大学,机械电子工程,2013,硕士.
[27]刘志恒.借鉴意大利语元音发音的汉语韵母声乐训练和演唱研究[D].武汉音乐学院,音乐,2014,硕士.
[28]刘清泉.完善我国公共财政体制改革探究[D].西南大学,政治经济学,2013,硕士.
[29]包和平.微博语境下的公民政治参与研究[D].宁波大学,公共管理,2013,硕士.
[30]余涛,韦曼芳,陈家荣.暂态能量函数法在地区电网黑启动辅助决策中的应用[J].电力系统自动化,2006,13:73-78.
[31]王荣荣.河北省R&D投入产出绩效评价及分析[D].河北科技大学,管理科学与工程,2012,硕士.
[32]程静.试论校园信息化建设[D].华东师范大学,情报学,2002,硕士.
[33]陈建译.信号综合防雷实施中应注意的几个问题[J].铁道通信信号.2008(04)
[34]李琴.SC公司基于战略地图的财务可持续增长研究[D].安徽大学,工商管理,2014,硕士.
[35]罗杉正.690合金及其PCVD TiN/TiSiN多层膜高温微动磨损特性研究[D].西南交通大学,材料科学与工程,2014,硕士.
[36]高孟友,徐丙垠,范开俊,张新慧.基于实时拓扑识别的分布式馈线自动化控制方法[J].电力系统自动化,2015,09:127-131.
[37]张建树.基于彩色图像的胶囊缺陷检测算法研究与实现[D].广东工业大学,测试计量技术与仪器,2014,硕士.
[38]贾华莉.华北油田学校管理促进小学教师专业发展策略研究[D].河北师范大学,教育管理,2012,硕士.
[39]邓天峰.基于J2EE技术开发高校BBS论坛[D].大连海事大学,计算机技术,2012,硕士.
[40]庄宁.我国应对突发公共事件的心理危机疏导机制[D].首都经济贸易大学,公共管理,2014,硕士.
[41]李莎.《现代汉语词典》（第六版）释义提示词修订之考察[D].河北大学,语言学及应用语言学,2014,硕士.
[42]王正翔.大学生手机依赖与冲动性关系研究[D].苏州大学,应用心理（专业学位）,2013,硕士.
[43]张明军.我国货币政策调整与商业银行流动性的关系研究[D].兰州商学院,金融,2014,硕士.
[44]赵浩.双体卫星在指向控制中的建模与仿真研究[D].哈尔滨工业大学,控制科学与工程,2013,硕士.
[45]韩慧宗.基于M-C作图进行牙鲆雌核发育二倍体的遗传鉴定与分析[D].上海海洋大学,海洋生物学,2013,硕士.
[46]赵美娜.利用细胞表面展示系统改造大肠杆菌利用木聚糖[D].天津大学,制药工程,2013,硕士.
[47]时宏锐.复合载荷下局部减薄弯管棘轮变形分析[D].天津大学,化工过程机械,2013,硕士.
[48]熊勇.两种手术方法治疗成人前臂双骨折的疗效分析（附48例临床病例分析）[D].湖北中医学院,中医骨伤科学,2004,硕士.
[49]马超.两类渐近线性Schrodinger-Poisson系统正解的存在性[D].西南大学,基础数学,2014,硕士.
[50]敖颖全.货币政策中介目标的选择——以美国为例的分析[D].吉林大学,世界经济,2004,硕士.