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並行化河流數學模型研發及應用

作者：李健//霍軍軍
出版社：科學
ISBN：9787030625199

出版日期：2019/11/01
裝幀：平裝
頁數：289

人民幣：RMB 139 元售價：元

內容大鋼

本書系統介紹並行計算硬體和軟體的發展、並行計算加速平面二維洪水淹沒模擬、平面二維和三維水質模擬、粒子軌跡跟蹤模擬和高階近壁湍流渦解析度模擬的應用。以哈爾濱市城市洪水淹沒和三峽水庫水動力-水質演變為研究對象，展示並行化河流數學模型的應用成果及並行計算加速效率評價。本書部分插圖配彩圖二維碼，見封底。
本書可作為水利工程、海洋工程專業研究生的教材使用，也可作為環境工程、市政工程和電腦專業等相關領域的科研人員和工程技術人員的參考書。

作者介紹

李健//霍軍軍

第l章  並行計算概況
  1.1  並行電腦的發展
  1.2  並行演算法的應用
  1.3  並行硬體的構架
    1.3.1  單核處理器
    1.3.2  多核處理器
    1.3.3  異構並行設備
第2章  並行化河流動力學數學模型
  2.1  山區型急流數學模型
  2.2  河口型緩流數學模型
  2.3  洪水淹沒數學模型
    2.3.1  洪水淹沒模型的並行化需求
    2.3.2  洪水淹沒模型的並行化方式
    2.3.3  同構並行化洪水淹沒模型
    2.3.4  異構並行化洪水淹沒模型
    2.3.5  其他並行機制的洪水淹沒模型
  2.4  並行化河流數學模型的發展
    2.4.1  同構並行化河流數學模型
    2.4.2  異構並行化河流數學模型
  2.5  各種河流數學模型的適用性
  2.6  並行化河流數學模型的發展
第3章  並行化洪水淹沒模型原理及應用
  3.1  一維淺水方程
    3.1.1  有限體積法離散
    3.1.2  時間項離散
    3.1.3  Roe格式
    3.1.4  二階重構
  3.2  二維淺水方程
  3.3  CPU並行化實施
    3.3.1  多核CPU的基本架構
    3.3.2  結構網格離散
    3.3.3  線程並行化實施
    3.3.4  MPI並行化實施
  3.4  GPU異構並行化實施
    3.4.1  GPU硬體架構
    3.4.2  CUDA編程
    3.4.3  淺水方程求解的CUDA並行
    3.4.4  並行化洪水淹沒模型結構
  3.5  模型驗證
    3.5.1  一維潰壩激波
    3.5.2  二維潰壩激波
  3.6  並行計算效率評價
    3.6.1  並行計算效率評價指標
    3.6.2  計算條件設置
    3.6.3  CPU並行計算效率評價
    3.6.4  GPU並行計算效率評價
    3.6.5  計算過程資源監控
  3.7  哈爾濱胖頭泡蓄滯洪區洪水淹沒過程模擬
    3.7.1  胖頭泡蓄滯洪區概況
    3.7.2  計算區域設置

    3.7.3  邊界條件施加
    3.7.4  胖頭泡分洪過程模擬
    3.7.5  不同因素對洪水淹沒過程的影響
    3.7.6  並行計算效率評估
    3.7.7  洪水風險評估
第4章  並行化平面二維水質模型原理及應用
  4.1  富營養化數學模型研究現狀
  4.2  富營養化數學模型離散
    4.2.1  控制方程
    4.2.2  非結構網格離散
    4.2.3  對流擴散項離散
    4.2.4  數值通量
    4.2.5  時間項離散
    4.2.6  源項處理
    4.2.7  邊界條件
  4.3  平面二維水質模型計算流程
  4.4  污染物擴散係數選取
  4.5  水質模型驗證
    4.5.1  單彎道水槽試驗驗證
    4.5.2  連續彎道水槽試驗驗證
  4.6  香溪河水質平面二維數值模擬
    4.6.1  香溪河支流概況
    4.6.2  香溪河地形處理
    4.6.3  香溪河富營養化初步分析
    4.6.4  香溪河水動力場模擬
    4.6.5  香溪河水質模擬
第5章  並行化粒子軌跡跟蹤模型原理及應用
  5.1  粒子軌跡跟蹤模型概述
  5.2  粒子軌跡跟蹤模型的基本原理
    5.2.1  控制方程
    5.2.2  粒子軌跡跟蹤計算流程
    5.2.3  粒子空間位置的搜索演算法
  5.3  粒子軌跡跟蹤模型的驗證
  5.4  粒子軌跡跟蹤模型在香溪河的應用
    5.4.1  三峽水庫蓄水期
    5.4.2  三峽水庫泄水期
第6章  並行化三維水動力水質耦合模型原理及應用
  6.1  概述
  6.2  水華髮生機理初步分析
  6.3  水動力學模型
  6.4  水質模型
    6.4.1  簡化的水質模塊
    6.4.2  複雜的水質模塊
    6.4.3  溶解氧模塊
    6.4.4  懸移質泥沙模塊
    6.4.5  水溫模塊
    6.4.6  碳循環計算模型
  6.5  底泥生化反應模塊
    6.5.1  底泥溶解氧模塊
    6.5.2  簡化的底泥生化反應模塊

    6.5.3  底泥生化反應動力學模型
    6.5.4  底泥與上覆水間的物質交換通量
  6.6  浮遊植物動力學模塊
  6.7  耦合模型計算流程
  6.8  模型驗證
    6.8.1  單彎道水槽試驗驗證
    6.8.2  連續彎道水槽試驗驗證
  6.9  耦合模型在香溪河庫灣的應用
    6.9.1  香溪河庫灣概況
    6.9.2  水華促發因子分析
    6.9.3  耦合模型率定結果分析
    6.9.4  率定期的物質輸移質量變化
    6.9.5  耦合模型驗證結果分析
    6.9.6  驗證期的物質輸移質量變化
    6.9.7  計算誤差分析
    6.9.8  香溪河庫灣水華防治工程措施探討
  6.10  耦合模型在三峽庫區的應用
    6.10.1  湖北省境內三峽庫區概況
    6.10.2  模型設置
    6.10.3  模型率定
    6.10.4  模型驗證
    6.10.5  氣候變化背景下的三峽水庫水質變化趨勢探討
    6.10.6  多介質耦合模擬
第7章  並行化高階湍流模型原理及應用
  7.1  水動力學模型
    7.1.1  靜水壓力模式的控制方程
    7.1.2  動水壓力模式的控制方程
    7.1.3  物理變數存儲
  7.2  垂向坐標系統
    7.2.1  垂向s-z坐標系統構成及轉換
    7.2.2  垂向s-z坐標系統下的數值離散
  7.3  控制方程的數值離散
    7.3.1  連續方程離散
    7.3.2  水平動量方程離散
    7.3.3  垂向動量方程離散
    7.3.4  物質輸移方程離散
    7.3.5  水平黏性項計算
    7.3.6  對流項離散
    7.3.7  邊界條件施加
  7.4  紊流封閉模型
    7.4.1  零方程模型
    7.4.2  雙方程模型
    7.4.3  湍流模型數值離散
    7.4.4  高階壁面湍流模型
  7.5  動水壓力
    7.5.1  正壓模式下的控制方程離散
    7.5.2  斜壓模式下的控制方程離散
    7.5.3  動水壓力模式下的動量方程離散
  7.6  高階湍流模型應用
    7.6.1  研究區域概況

    7.6.2  現場湍流觀測
    7.6.3  網格生成和模型設置
    7.6.4  網格質量和靈敏度分析
    7.6.5  湍流時空演變
    7.6.6  模擬結果驗證
    7.6.7  動水壓力與渦旋
    7.6.8  三峽水庫蓄水的影響分析
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