基于CUDA-Monte-Carlo方法的树冠火辐射模型研究

公式。即对中等大小的树，树冠火火焰高度 约是树冠的2倍；火焰温度取1000。C；火焰发射率，对于大型火焰 采用经验值1。 4．1CUDA—Monte—Carlo的优点 热 孰 ．55m 图6实验模型图 分别通过CPU和基于CUDA的GPU进行计算热流计1和热流计2所在位置的热辐射通量，对比计算 结果和运算时间，验证CUDA—Monte—Carlo的优越性。本文采用的CPU为IntelCore2QuadQ8200，四核， 主频2．33GHz：显卡为GeForce8600GT。GPU中有4个多处理器，每个多处理器有8个流处理器，核心时钟 (内核时钟)频率为600MHz，着色器时钟(执行单元频率)为1200MHz，内存时钟频率为800MHz，内存 256MB，显存带宽为25．6GB／s。利用GPU作为协处理器计算时，采用16个线程块，一个块内采用256个线 程。两种方式的计算结果如表1所示。 表1计算结果对比 本文中采用的较为高端的CPU和普通的显卡，而GPU计算速度明显高于通过CPU，CPU运行的时间 是GPU运行时间的41．8倍，计算速度得到明显提升。而且计算结果非常接近，GPU相对CPU的计算结果 -861—— 2010(沈阳)国际安全科学与技术学术研讨会论文集 误差最大为2．1％，精度满足要求，验证了CUDA—Monte—Cado方法基于GPU运算的成功。 4．2圆柱火焰模型的验证 如表1所示，基于CUDA—Monte—Cado计算的热流计1、2所在位置的热辐射通量分别为6．40kW／酊、 7．48kW／斫，文献14|中热流计1、2处的热辐射通量的实验测量结果分别为6．6kW／rrf、6．9kW／酊，翁韬等建立的 模型计算结果分别为7．3kW／ITf、8．6kW／rrf。对比发现，数量级相同，证明了建立的Monte—Carlo圆柱火焰模 型是正确的，并有很好的适用性。 4．3树冠火热辐射的纵向分布 应用建立的圆柱火焰模型，采用基于CUDA运算的Monte—Carlo方法，发挥该方法在计算角系数的优 越性，计算在火焰发展旺盛阶段，热辐射在距离火焰轴线1．55m处的竖向分布。如图7所示，为热辐射通量 随高度的变化曲线图。 O 2 3 4 5 6 距地高度／m 图7热辐射通量 图中只截取了竖向6m高度内热辐射通量的分布，普通二层楼房的高度大约也为6m。从图中可以看 出，热辐射通量的最大值出现在高度为1．8rn处，处在火焰中心对应的位置，根据火焰高度公式，该位置为树 冠顶部所对应的高度，此位置也为最不利点．超出该位置，随着高度升高或降低，热辐射通量减小，6m处减 小到0．175kW／斫。所以在进行防火距离计算时，应采用该位置进行最不利点计算。可以推测出，对于多棵树 排列在一排时，最危险位置应该是树冠平均高度所对应的位置。 5结论 (1)本文将当前先进的高速并行运算技术应用到了热辐射的计算领域中。将GPU作为CPU的协处理 器，基于CUDA框架进行编程，探讨了Monte—Cado热辐射计算方法在GPU上的运行文现。通过研究发现． 计算速度有明显提升，计算测点处热辐射通量运行时间只需0．1487s，比CPU运行时间快40倍，充分说明 Monte—Cado方法热辐射计算非常适用于GPU计算，为热辐射的高速计算指出了一个方向。 (2)依据Monte—Carlo方法。建立了树冠火圆柱形火焰模型，通过与实验中两个热流计所在的测点处的 热辐射通量作对比，证明了圆柱火焰模型的正确性。探讨了Monte—Carlo方法应用的优势，发现其计算推导 简便，避免了求解角系数的困难。 (3≯睁Monte-Carlo圆柱形火焰模型应用到单树冠火热辐射计算中，求解热辐射通量的竖向分布。结果 显示，热辐射通量的最大值出现在树冠顶部水平高度所对应的位置，在进行防火距离计算时，应采用该位置 进行最不利点计算。 参考文献 [1]Butler,C．P．TheUrban／WildlandFireInterface．CombustionInstitutePapers．1974，74(15)：18． 【2JWilliamM，RehmRG．Numericalmodelingoffirespreadthroughindividualtreesandshrubs．TheSixthSymposiumonFireand ForestMeteorology．Canmore。Alberta,Canada．25—27October2005． 【3】WilliamMell，AlexanderMaranghides，RandallMcDermott，eta1．NumericalSimulationandexperimentsofburningdouglasfir trees[J]．CombustionandFlame。2009，156：2023—2041． 一862— 9 8 7 6 5 4 3 2 l O IuJ≥≤蝼爱荟驿《 Proceedingsof2010(Shenyang)InternationalColloquiumOnSafetyScienceandTechnology 【4】4翁韬．魏涛，丛北华等．城镇森林交界域典型树冠火辐射实验研究『J】．燃烧科学与技术，2008，14(2)：165—170． 15I翁韬，魏涛，蔡听等．城市森林交界域树冠火多树辐射理论．与模拟实验研究【JJ．自然科学进展，2007，17(8)：1098—1114． 【6】季经纬，李全峰胨金林．朱国庆．火焰与炳气层热辐射的实验与蒙特卡洛法模拟Ⅲ．中围矿业大学学报．2008，37(1)：53—56． 【7】李全峰，季经纬，陈金林等．蒙特卡洛法在火焰热辐射计算中的应用【J]．i肖防科学与技术．2008，27(7)：79—82． 【81NVIDIACUDA统一计算设备架构编程指南2．qZl．2008—6-7． 【9】9 DavidD．Evans，RonaldG．Rehm，ElisaS．Baker．Physics—BasedModelingforWUIFireSpread：SimplifiedModelAlgorithmfor IgnitionofStructuresbyBurningVegetation[R]．Gaithersburg：NISTReportNIS‘FIR7179，2004． StudyontheRadiationModelofCrownFireBasedonthe CUDA—Monte-Carl0Method HAOYao-hual，JlJing-weil，LIQuan-fen92 (1．SchoolofSafetyEngine，ChinaUniversityofMining＆technology，XuZhou221008，China；2．HuBeiYiCangcityFire detachment,YuanAn444200，China) Abstract：Aresearchabouttheheatradiationofcrownfirehasbeendoneinthisarticle．BasedonCUDA-Monte-Carlo method，acylinderCrownfiremodelwasestablishedtocalculatetheheatradiationflux，whichwasprovedcorrectbycomparisonof thecalculatedheatradiationfluxwiththeexperimentaldata．Themodelwasalsousedtodiscussverticaldistributionoftheheat radiationfluxfromcrownfire．ItisfoundthatthespeedbyGPUimplementedcalculationundertheCUDAparallelprogramming modeljSabout41timesfasterthanbyCPUalone．TimeneedtocalculatetheheatradiationfluxofmeasuringpositionsiSorily O．1487s．Thecomputingspeedis improvedgreatly．Theresultisveryclosewithexperimentalmeasurements．whichfully demonstratesthesuccessfulapplicationofMonte-Cadomethodincylindricalflamemodelofcrownfire．Aftercalculatingthe verticaldistributionoftheheatradiationflux,itisfoulldthatthemostunfavorablepositionexistsinthecorrcspondinglevelofthe crowntop． 一863— 基于CUDA-Monte-Carlo方法的树冠火辐射模型研究 作者： 郝耀华， 季经纬， 李全峰 作者单位： 郝耀华,季经纬(中国矿业大学安全学院,徐州 221008)， 李全峰(湖北宜昌市消防支队,远安 444200) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_7375574.aspx