(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210550071.3 (22)申请日 2022.05.20 (71)申请人 东北大学 地址 110819 辽宁省沈阳市和平区文化路3 号巷11号 (72)发明人 罗森　郭雅琪　王卫领　朱苗勇　 (74)专利代理 机构 沈阳东大知识产权代理有限 公司 21109 专利代理师 蔡陈 (51)Int.Cl. G06Q 10/04(2012.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 17/11(2006.01) G06F 9/50(2006.01) G06F 113/08(2020.01) (54)发明名称 基于GPU并行计算钢液对流下三维多枝晶生 长的预测方法 (57)摘要 本发明公开一种基于GPU并行计算钢液对流 下三维多枝晶生长的预测方法， 方法包括： 收集 待研究钢材的物性参数、 各成分所占比重数据； 计算三维相场、 溶质场以及流场的控制方程， 建 立不同优先生长方向场控制方程； 基于GPU多线 程并行计算的方式计算各个时间下的所有节点 的相场变量、 浓度和流体速度数据； 通过共享内 存的方式将信息转存到CPU内存中， 以可读文件 的形式读取相场变量、 浓度及流体速度的三维图 像， 不同计算时间的三维图像组合得到钢液对流 情况下三维多枝晶生长过程。 本发 明能够以三维 图景的形式再现钢液对流情况下三维多枝晶生 长过程， 提高钢液对流情况下三维多枝晶生长预 测的精准度。 权利要求书1页 说明书6页 附图4页 CN 114819393 A 2022.07.29 CN 114819393 A 1.一种基于GPU 并行计算钢液对流下三维多枝晶生长的预测方法， 其特征在于， 包括如 下步骤： 步骤1： 收集待研究钢材的物性 参数和各成分所占比重数据； 步骤2： 根据收集的钢材的物性参数数据及相场法模型， 计算相场的控制方程， 同时计 算溶质场的控制方程和流场的控制方程， 分别得到相场变量、 流场作用下 的溶质分布和流 体速度数据； 步骤3： 将计算的流体速度反馈给溶质场的控制方程， 实现流场的控制方程与溶质场的 控制方程的耦合， 得到各节点的浓度； 步骤4： 利用NVIDIA推出的通用并行计算架构CUDA， 基于GPU多线程并行计算的方式计 算各个时间下的所有节点的相场变量、 浓度和流体速度数据； 步骤5： 通过共享内存的方式将所有节点的相场变量、 浓度和流体速度数据转存到CPU 内存中， 以可读文件的形式读取相场变量、 浓度及流体速度的三 维图像， 将不同计算时间得 到的相场、 溶质场和流场的三维图像组合得到枝晶在钢液对流中的三维生长过程。 2.根据权利要求1所述的基于GPU并行计算钢液对流下三维多枝晶生长的预测方法， 其 特征在于， 所述钢材的物性参数包括钢液密度、 钢 液粘度、 液相线斜率、 熔点温度和摩尔体 积。 3.根据权利要求1所述的基于GPU并行计算钢液对流下三维多枝晶生长的预测方法， 其 特征在于， 所述相场法模型采用K KS模型。 4.根据权利要求1所述的基于GPU并行计算钢液对流下三维多枝晶生长的预测方法， 其 特征在于， 所述相场变量利用坐标转换的方法， 通过定义不同的夹角， 计算不同优先生长方 向的三维枝晶 的生长过程得到 。 5.根据权利要求4所述的基于GPU并行计算钢液对流下三维多枝晶生长的预测方法， 其 特征在于， 所述 不同优先生长方向的三维枝晶采用生长方向场的方式来标记。 6.根据权利要求1所述的基于GPU并行计算钢液对流下三维多枝晶生长的预测方法， 其 特征在于， 所述 流体速度的计算过程如下： S1： 基于LBM流体模拟方法将钢液流动过程分解成碰撞和迁移两个部分， 基于D3Q19模 型和BGK模型计算 流场的控制方程； S2： 对流场的控制方程在枝晶边界处应用无滑移的反弹格式， 得到枝晶边界处节点的 动量分布函数值； S3： 对节点的动量分布函数值进行迁移， 并在迁移之后施加边界条件， 得到各节点的流 体速度。 7.根据权利要求1所述的基于GPU并行计算钢液对流下三维多枝晶生长的预测方法， 其 特征在于， 所述步骤4的具体方法为： 将第i个节点的相场变量、 浓度和流体速度计算过程分 配到第i个线程中， 并设定边界条件及 控制条件； n个线程同时执行基于GPU多线程并行计算 的程序， 第i个线程输出第i个节点的相场变量、 浓度和流体速度数据到GPU内存中。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114819393 A 2基于GPU并行计算钢液对流下 三维多枝晶生长的预测方 法 技术领域 [0001]本发明涉及冶金连铸技术领域， 尤其涉及一种基于GPU并行计算钢液对流下三维 多枝晶生长的预测方法。 背景技术 [0002]目前， 针对金属材料凝固过程中多枝晶的生长过程的研究， 主要有实验和数值模 拟两大类方法。 而由于在连铸钢 液凝固过程中， 存在温度高、 环境不透明等实际特点， 开展 实验研究不仅费时费力， 而且具有一定的危险性， 同时实验 费用也相对较高。 因此， 开展实 验研究金属材料凝固过程中多枝晶的生长过程具有相当的困难。 而采用数值模拟方式， 不 仅大大降低了研究门槛， 为研究人员提供了更高效、 安全的研究手段， 能够以更低成本开展 大规模的重复试验， 提高了工作效率， 另一方面建立模拟复杂枝晶生长过程的数学模型， 借 助计算机技术对模型求解， 将枝晶生长、 熔体流动、 溶质对流等微观组织结构形成过程在计 算机上模拟， 动态实时的观察到 重要的相变信息 。 [0003]在数值模拟方法 中， 采用相 场法(PFM)和LB M方法耦合的方式来模拟钢液对流情况 下三维多枝晶的生长过程， 虽然能有效避免追踪复杂的固液界面， 合理的模拟钢 液对流情 况下三维多枝晶的形貌变化以及溶质传输。 但为了保证数值模型 的收敛性和 准确性， 模拟 的网格大小一般设置的及其微小， 这样就造成因网格尺寸小而产生大量的网格数， 造成计 算数据的海量增 加。 面对及其庞大的计算 量， 利用传统的CPU计算， 显然已经难以满足要求。 发明内容 [0004]针对上述现有技术的不足， 本发明提供一种基于GPU并行计算钢液对流下三维多 枝晶生长的预测方法。 基于GPU(图形处理器， Graphic  Processing  Unit)技术拥有许多的 计算单元， 具有极其 强大的并行计算能力和数据处理能力， 因此利用GPU技术 非常适合处理 可以通过 大量数据并行计算 解决的问题。 [0005]为解决上述技术问题， 本 发明所采取的技术方案是： 一种基于GPU并行计算钢液对 流下三维多 枝晶生长的预测方法， 包括如下步骤： [0006]步骤1： 收集待研究钢材的物性 参数和各成分所占比重数据； [0007]进一步的， 所述钢材的物性参数包括钢液密度、 钢液粘度、 液相线斜率、 熔点温度 和摩尔体积。 [0008]步骤2： 根据收集的钢材的物性参数数据及相场法模型， 计算相场的控制 方程， 同 时计算溶质场的控制方程和 流场的控制方程， 分别得到相场变量、 流场作用下 的溶质分布 和流体速度数据； [0009]进一步的， 所述相场法模型采用K KS模型。 [0010]进一步的， 所述相 场变量利用坐标转换的方法， 通过定义不同的夹角， 计算不同优 先生长方向的三维枝晶 的生长过程得到 。 [0011]进一步的， 所述 不同优先生长方向的三维枝晶采用生长方向场的方式来标记。说　明　书 1/6 页 3 CN 114819393 A 3