GPU加速耗散粒子動(dòng)力學(xué)模擬軟件及其在重質(zhì)油介觀模擬中的應(yīng)用

1、GPU加速耗散粒子動(dòng)力學(xué)模擬軟件及其在重質(zhì)油介觀模擬中的應(yīng)用由于重質(zhì)油體系的復(fù)雜性和當(dāng)前分析技術(shù)的局限性, 重質(zhì)油的實(shí)驗(yàn)研究工作存在不足 , 耗散粒子動(dòng)力學(xué) (Dissipative Particle Dynamics, DPD)等計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)成為研究重質(zhì)油的重要補(bǔ)充手段。采用 DPD模擬瀝青質(zhì)在重質(zhì)油中的擴(kuò)散行為和聚集態(tài)結(jié)構(gòu) , 可以加深我們對(duì)重質(zhì)油流變性、分散性和乳化穩(wěn)定性等物理和化學(xué)性質(zhì)的理解。然而 , 在極稀瀝青質(zhì)溶液和重質(zhì)油體系模擬研究中, 體系規(guī)模較大且復(fù)雜度較高 , 串行 DPD程序計(jì)算性能無(wú)法滿(mǎn)足需求。本論文利用GPU加速技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高性能的 DPD并行計(jì)算程序 , 并對(duì)瀝青質(zhì)

2、的擴(kuò)散行為、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)以及重質(zhì)油的流變性進(jìn)行了模擬研究。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：(1) 基于 NVIDIA 提供的 CUDA (Compute UnifiedDevice Architecture)平臺(tái) , 采用一維空間分解方法 , 實(shí)現(xiàn)了多 GPU加速的耗散粒子動(dòng)力學(xué)模擬平臺(tái)DPD-GPU:DPD中粒子鄰居搜索、作用力計(jì)算和粒子信息的更新完全在 GPU上并行執(zhí)行；通過(guò)分析大規(guī)模DPD模擬對(duì)隨機(jī)數(shù)的需求 , 實(shí)現(xiàn)了基于TEA算法的隨機(jī)數(shù)生成器；通過(guò)GPU之間的通信 , 實(shí)現(xiàn)了子區(qū)域邊界層附近粒子的作用力計(jì)算和粒子位置更新后粒子在子區(qū)域之間的遷移；將四元數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)算法集成到 DPD-GPU中以表征稠

3、合芳香環(huán)系剛性結(jié)構(gòu)片段的運(yùn)動(dòng)特性；針對(duì)現(xiàn)有固體邊界方法很難有效處理剛性分子與固體界面的碰撞問(wèn)題, 提出了新的固體邊界方法。應(yīng)用 DPD-GPU模擬單粒子體系和煙炱 - 潤(rùn)滑油 - 分散劑體系 , 得到了與串行程序一致的模擬結(jié)果 , 驗(yàn)證了 DPD-GPU的可靠性。性能測(cè)試結(jié)果表明 ,DPD-GPU在單個(gè)和兩個(gè) GTX690 GPU上執(zhí)行 80×80× 80體系的模擬相比串行Material Studio的加速比分別可達(dá)100 倍和 180 倍以上。模擬大規(guī)模體系時(shí) ,DPD-GPU的計(jì)算性能隨著使用GPU個(gè)數(shù)的增加接近線(xiàn)性提高。(2) 對(duì)瀝青質(zhì)在甲苯中的擴(kuò)散行為和瀝青質(zhì)在正

4、庚烷中的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬研究。為了模擬無(wú)限稀釋瀝青質(zhì)溶液體系 , 采用模擬盒子尺寸最大達(dá)到180x180×180, 粒子總數(shù)接近 17,500,000 個(gè)。模擬得到的瀝青質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)與濃度的變化關(guān)系與文獻(xiàn)報(bào)道一致：模擬體系中瀝青質(zhì)濃度最低達(dá)到0.12 g· L-1, 擴(kuò)散系數(shù)為 2.0 ×10-10m2·s-1 左右 , 隨著瀝青質(zhì)濃度升高到5.64 g·L-1, 擴(kuò)散系數(shù)下降到 1.2 ×10-10m2·s-1 左右 , 瀝青質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)和濃度之間的關(guān)系近似滿(mǎn)足Stokes-Einstein方程。瀝青質(zhì) - 正庚烷體系的模

5、擬結(jié)果反映了瀝青質(zhì)的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)隨濃度的演化規(guī)律, 驗(yàn)證了改進(jìn)的Mullins模型：隨著瀝青質(zhì)濃度由0.1 g·L-1 升高到 17.68 g·L-1, 瀝青質(zhì)分別以單體分子、納米聚集體、團(tuán)簇和絮凝的狀態(tài)分布：模擬確定的CNAC和 CCC分別在 0.2g ·L-1 和 2.2 g · L-1 左右 , 也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果近似一致。(3) 模擬研究了摻入輕質(zhì)油和乳化對(duì)重質(zhì)油流變性的影響。重油輕油混合體系的模擬結(jié)果表明 , 隨著混合體系中輕質(zhì)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加 , 瀝青質(zhì)聚集體平均尺寸減小 , 粘度逐漸降低 , 并且混合體系由非牛頓流體向牛頓流體過(guò)渡。油- 水乳狀液體系的模擬結(jié)果表明 , 在油分質(zhì)量分?jǐn)?shù)從 0 增加到 50%左右的過(guò)程中 , 乳狀液體系為水包油型 , 油分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)粘度影響較小； 隨著油分質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò) 50%,乳狀液體系轉(zhuǎn)變?yōu)橛桶?, 增加油分質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)引起粘度的大幅升高。(4) 對(duì)重質(zhì)油平板界面間的 Poiseuile 流動(dòng)做了初步的模擬研究 , 模擬結(jié)果表明：流體通量與施加體力大小有良好的線(xiàn)性關(guān)系； 隨著