本發(fā)明涉及建筑火災防護技術(shù)領域，具體地，涉及建筑火災數(shù)值仿真的區(qū)域分解優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
對于建筑火災的數(shù)值模擬，由于計算空間極大，導致模擬時間較長，影響研究進度。而通過采用并行計算可以大幅度的縮短模擬時間。并行計算的基本思想是將一個大規(guī)模問題分解為若干小部分，并將每一部分交由不同的處理器進行處理，并在分區(qū)之間進行信息的傳遞。并行計算能力的提高一方面有賴于硬件技術(shù)的發(fā)展，另一方面也與分區(qū)策略等計算方法的改進密切相關。針對建筑火災的數(shù)值模擬，除了使各子區(qū)域的單元數(shù)量大致相當，在復雜的火熱耦合計算中，部分分區(qū)燃燒密集，流體流動頻繁，這些都需要占用大量的計算資源，傳統(tǒng)的一些分區(qū)方法無法保障各處理器間對火熱模擬計算的負載均衡。因此，針對火熱耦合系統(tǒng)，需要設計一種新的針對FDS軟件的分區(qū)方法以提高并行計算的效率。
傳統(tǒng)的計算流體動力學分區(qū)方法與現(xiàn)有的網(wǎng)格劃分技術(shù)運用在建筑火災的數(shù)值模擬時，主要存在以下缺陷：
1)沒有給出合適的全局網(wǎng)格種子尺寸，導致對于一個案例的模擬往往需要進行多次的嘗試，極大的浪費了時間；
2)只考慮子區(qū)域網(wǎng)格數(shù)與通信時間，忽略了模擬過程中產(chǎn)生的火熱耦合計算負載；
3)FDS雖然具備了并行計算的功能，卻沒有提供相應的網(wǎng)格劃分與分配的方法。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種建筑火災數(shù)值仿真的區(qū)域分解優(yōu)化方法。
根據(jù)本發(fā)明提供的建筑火災數(shù)值仿真的區(qū)域分解優(yōu)化方法，包括如下步驟：
步驟1：構(gòu)建建筑模型，根據(jù)火焰的特征直徑與經(jīng)驗公式計算出該建筑模型的全局網(wǎng)格尺寸，并根據(jù)實際情況和設置的模擬精度對全局網(wǎng)格進行劃分；
步驟2：獲取硬件配置，所述硬件配置包括：計算機群中能夠使用的節(jié)點，或者超級計算機中能夠使用的CPU；
步驟3：根據(jù)負載均衡的影響因素將建筑模型劃分為與計算機群中能夠使用的節(jié)點數(shù)目，或者超級計算機中能夠使用的CPU數(shù)目相同的子區(qū)域；
步驟4：驗證劃分后各個子區(qū)域的負載均衡性，若均衡，則分配給相應節(jié)點進行計算；若不均衡，則使用模式探索法調(diào)整子區(qū)域的體積，所述節(jié)點是指：計算機群中能夠使用的節(jié)點，或者能夠使用的CPU。
優(yōu)選地，所述步驟1中的火焰特征直徑計算公式如下：
式中：D*為火焰特征直徑，Q為預計的熱釋放率，ρ∞為初始環(huán)境空氣密度，cp為定壓比熱容，T∞為初始環(huán)境溫度，g為當?shù)刂亓铀俣取?/p>
優(yōu)選地，所述步驟S1中的經(jīng)驗公式如下：
4≤D*/Δd≤16
式中：Δd為近似網(wǎng)格全局種子尺寸。
優(yōu)選地，所述步驟3中負載均衡的影響因素包括：子區(qū)域網(wǎng)格的數(shù)量、各個子區(qū)域之間的通信效率，以及由火與熱耦合產(chǎn)生的計算負載。
優(yōu)選地，所述步驟3還包括：當能夠使用的計算機群節(jié)點數(shù)為2的冪次方，則使用遞歸坐標二分法進行劃分；當節(jié)點數(shù)不是2的冪次方的時，則按照各子區(qū)域網(wǎng)格數(shù)均衡原則與最小通信邊界網(wǎng)格數(shù)原則進行劃分；其中：各子區(qū)域網(wǎng)格數(shù)均衡原則與最小通信邊界網(wǎng)格數(shù)原則的量化指標如下：
σn＝nmodel/nsub
σs＝ncom/nsubcom
式中：σn為網(wǎng)格數(shù)負載平衡因子，nmodel為整個建筑模型所劃分的網(wǎng)格數(shù)目，nsub為子區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)目，σs為通信邊界網(wǎng)格數(shù)負載平衡因子，ncom為所有子區(qū)域的通信網(wǎng)格數(shù)，nsubcom為某一子區(qū)域的通信網(wǎng)格數(shù)。
優(yōu)選地，所述步驟4包括：
步驟4.1：對模擬過程中產(chǎn)生的火熱耦合計算負載進行預測，預測公式如下：
L＝f(d,n)
式中：L為火熱耦合計算負載，d為子區(qū)域與火源的距離，n為子區(qū)域內(nèi)可燃物的數(shù)量；
步驟4.2：運用試探的方法，即僅改變一個坐標方向上的子區(qū)域邊界，每次移動應以改變最少的網(wǎng)格數(shù)為原則，剩余坐標方向上的邊界保持不變；
步驟4.3：對調(diào)整后的各個子區(qū)域進行負載均衡判斷，若不均衡，則返回執(zhí)行步驟4.2；若均衡，則通過相應節(jié)點進行計算；其中，負載均衡判斷公式如下：
σi＝σni+σsi+Li
式中：σi為第i個子區(qū)域的總負載，σni為第i個子區(qū)域網(wǎng)格數(shù)負載，σsi為第i個子區(qū)域通信邊界網(wǎng)格數(shù)負載，Li為第i個子區(qū)域火熱耦合計算負載。
優(yōu)選地，所述步驟S4還包括：在剛開始運行的一段時間內(nèi)對各個節(jié)點的運算時間進行監(jiān)測，假設可供使用的節(jié)點數(shù)目為n，第i個節(jié)點的計算時間為ti，i的值為1,2,3…n，則平均時間記為平均時間的計算公式如下：
將第i個節(jié)點相對平均計算時間的偏差記為計算公式如下：
為設置一個上限用以評判負載是否均衡；當?shù)闹党^時，則認為負載不均衡，若的值小于等于時，則認為負載均衡；若不均衡則返回步驟4.2，并提高負載均衡的判斷標準，重新調(diào)整子區(qū)域網(wǎng)格；若均衡則繼續(xù)進行計算，直至模擬完成。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
本發(fā)明提供的建筑火災數(shù)值仿真的區(qū)域分解優(yōu)化方法通過對建筑模型進行網(wǎng)格劃分，并為每個網(wǎng)格配置相應的CPU進行并行計算；此外，還能夠自動檢測每個計算機節(jié)點的負載均衡性，并及時對負載進行調(diào)整，不僅適用于高性能超級計算機，也可以在個體機群間實施，大大提高數(shù)值模擬的速度。
附圖說明
通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
圖1為本發(fā)明提供的建筑火災數(shù)值仿真的區(qū)域分解優(yōu)化方法的流程示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
根據(jù)本發(fā)明提供的建筑火災數(shù)值仿真的區(qū)域分解優(yōu)化方法，包括如下步驟：
步驟S1：構(gòu)建建筑模型，根據(jù)火焰的特征直徑與經(jīng)驗公式計算出該建筑模型的全局網(wǎng)格尺寸，并根據(jù)實際情況和設置的模擬精度對全局網(wǎng)格進行劃分；
具體地，構(gòu)建建筑模型是指：輸入建筑模型的基本參數(shù)，主要包括計算區(qū)域的大小，建筑材料屬性，計算模型，計算方法等。
步驟S2：獲取硬件配置，所述硬件配置包括：計算機群中能夠使用的節(jié)點，或者超級計算機中能夠使用的CPU；
步驟S3：根據(jù)負載均衡的影響因素將建筑模型劃分為與計算機群中能夠使用的節(jié)點數(shù)目，或者超級計算機中能夠使用的CPU數(shù)目相同的子區(qū)域；
步驟S4：驗證劃分后各個子區(qū)域的負載均衡性，若均衡，則分配給相應節(jié)點進行計算；若不均衡，則使用模式探索的方法調(diào)整子區(qū)域的體積，所述節(jié)點是指：計算機群中能夠使用的節(jié)點，或者能夠使用的CPU。
所述步驟S1中的火焰特征直徑計算公式如下：
式中：D*為火焰特征直徑，Q為預計的熱釋放率，ρ∞為初始環(huán)境空氣密度，cp為定壓比熱容，T∞為初始環(huán)境溫度，g為當?shù)刂亓铀俣取?/p>
所述步驟S1中的經(jīng)驗公式如下：
4≤D*/Δd≤16
式中：Δd為近似網(wǎng)格全局種子尺寸。
所述步驟S3中負載均衡的影響因素包括：子區(qū)域網(wǎng)格的數(shù)量、各個子區(qū)域之間的通信效率，以及由火與熱耦合產(chǎn)生的計算負載。
所述步驟S3還包括：當能夠使用的計算機群節(jié)點數(shù)為2的冪次方，則使用遞歸坐標二分法進行劃分；當節(jié)點數(shù)不是2的冪次方的時，則按照各子區(qū)域網(wǎng)格數(shù)均衡原則與最小通信邊界網(wǎng)格數(shù)原則進行劃分(必要的時候放棄少量節(jié)點數(shù))；其中：各子區(qū)域網(wǎng)格數(shù)均衡原則與最小通信邊界網(wǎng)格數(shù)原則的量化指標如下：
σn＝nmodel/nsub
σs＝ncom/nsubcom
式中：σn為網(wǎng)格數(shù)負載平衡因子，nmodel為整個建筑模型所劃分的網(wǎng)格數(shù)目，nsub為子區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)目，σs為通信邊界網(wǎng)格數(shù)負載平衡因子，ncom為所有子區(qū)域的通信網(wǎng)格數(shù)，nsubcom為某一子區(qū)域的通信網(wǎng)格數(shù)。
根據(jù)上述方法劃分好子區(qū)域后，由于數(shù)值模擬過程中火與熱耦合產(chǎn)生的計算負載依舊會使各個節(jié)點所用的時間不均衡，所以需要對模擬過程中會產(chǎn)生的火熱耦合計算負載進行預測，經(jīng)過對大量建筑火災模擬案例的研究，火熱耦合計算負載與熱釋放率有關，而熱釋放率與離火源的距離與子區(qū)域中包含的可燃物數(shù)目成正相關關系。
所述步驟S4包括：
步驟S4.1：對模擬過程中產(chǎn)生的火熱耦合計算負載進行預測，預測公式如下：
L＝f(d,n)
式中：L為火熱耦合計算負載，d為子區(qū)域與火源的距離，n為子區(qū)域內(nèi)可燃物的數(shù)量；
步驟S4.2：運用試探的方法，即僅改變一個坐標方向上的子區(qū)域邊界，每次移動應以改變最少的網(wǎng)格數(shù)為原則，其余坐標方向上的邊界保持不變；
步驟S4.3：對調(diào)整后的各個子區(qū)域進行負載均衡判斷，若不均衡，則返回執(zhí)行步驟S4.2；若均衡，則通過相應節(jié)點進行計算；其中，負載均衡判斷公式如下：
σi＝σni+σsi+Li
式中：σi為第i個子區(qū)域的總負載，σni為第i個子區(qū)域網(wǎng)格數(shù)負載，σsi為第i個子區(qū)域通信邊界網(wǎng)格數(shù)負載，Li為第i個子區(qū)域火熱耦合計算負載。
由于建筑火災模型采用了三維網(wǎng)格劃分技術(shù)，單元節(jié)點及數(shù)量通常達到百萬級別。而且在模型中包含了大量集合非線性問題與材料非線性問題，各個CPU的運算時間比較難以估計。加上火熱耦合問題的高度非線性和復雜性以及實際計算時硬件的因素也會對實際各個節(jié)點(CPU)的運行時間產(chǎn)生影響。
所述步驟S4還包括：在剛開始運行的一段時間內(nèi)對各個節(jié)點(CPU)的運算時間進行監(jiān)測，假設可供使用的節(jié)點(CPU)數(shù)目為n，各個節(jié)點(CPU)的計算時間為ti，則其平均時間為計算公式如下：
而各個節(jié)點(CPU)相對平均計算時間的偏差計算公式如下：
為設置一個上限用以評判負載是否均衡。若不均衡則返回執(zhí)行步驟S4.2，并提高負載均衡的判斷標準，重新調(diào)整子區(qū)域網(wǎng)格；若均衡則繼續(xù)進行計算，直至模擬完成。
以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特征可以任意相互組合。