基于多GPU加速的格子Boltzmann方法研究高瑞利数下三维固液相变机理

针对高瑞利数(Ra)下固液相变模拟的高计算成本问题，研究人员开发了基于多GPU加速的格子Boltzmann(LB)方法，采用统一焓基双弛豫时间(TRT)-LB模型和非正交多弛豫时间(NMRT)-LB方程，实现了最高3807.2 MLUPS的计算效率，揭示了从层流到湍流 regime 的三维熔融界面演化规律，为潜热储能(LHTES)系统优化提供新见解。

　　

随着可再生能源的快速发展，潜热储能(LHTES)技术因其在平衡能源供需中的关键作用备受关注。相变材料(PCMs)的固液相变过程涉及复杂的热流耦合与界面演化，尤其在高温差、大尺度场景下产生的高瑞利数(Ra>10⁶)条件中，传统数值模拟面临计算效率低、三维湍流解析困难等挑战。现有研究多局限于二维或低Ra值，且单GPU加速难以满足三维高分辨率计算需求。

针对这一瓶颈，西安交通大学与英国合作团队在《Journal of Energy Storage》发表研究，开发了基于CUDA和MPI的多GPU加速格子Boltzmann(LB)方法。通过创新性地结合焓基TRT-LB温度场模型与NMRT-LB不可压缩流求解器，设计四CUDA流并发算法隐藏通信延迟，在4块NVIDIA A100 GPU上实现最高3807.2 MLUPS（每秒百万格子更新）的计算效率，并行效能达0.997。

关键技术包括：1) 采用统一焓基TRT-LB模型自动追踪相界面；2) 引入NMRT-LB方程降低可压缩误差；3) 基于CUDA-aware MPI实现多GPU域分解与计算-通信重叠；4) 通过网格独立性验证确保高Ra下结果可靠性。

三维熔融界面演化规律
模拟显示：Ra=10⁶时熔融前沿呈二维扩展；Ra升至10⁸时，湍流效应导致三维不规则界面，传导主导阶段缩短57%。界面粗糙度随Ra增大而加剧，源于强对流对温度场的扰动。

倾斜角度影响
当腔体倾角θ变化时，重力方向改变使热流形态重构：θ=90°时形成对称涡旋，而θ=45°时出现不对称二次流，导致熔化速率差异达23%。

计算性能突破
在1024×256×256网格下，4 GPU并行效率接近理想值（η=0.997），较单GPU实现两个数量级加速，首次实现10⁸量级Ra的三维长时间模拟。

该研究通过算法与硬件的协同创新，突破了高Ra相变模拟的计算瓶颈，揭示了湍流 regime 下三维界面动力学机制。所提出的多GPU加速框架为LHTES系统的大型化设计提供了新工具，其焓-流场耦合策略可拓展至金属增材制造等多物理场问题。英国工程与物理科学研究理事会(UKCOMES)评价称，该方法“重新定义了相变模拟的规模边界”。