Эффективная CUDA-реализация быстрых алгоритмов расчета взаимодействия частиц при моделирования плоских течений вихревыми методами
Статья: Эффективная CUDA-реализация быстрых алгоритмов расчета взаимодействия частиц при моделирования плоских течений вихревыми методами
Статья в выпуске: 3 т.15, 2026 года.
Бесплатный доступ
Решена задача повышения эффективности расчета парных взаимодействий вихревых частиц в вихревых методах моделирования плоских течений несжимаемой среды. Прямой расчет, имеющий квадратичную сложность, невозможен при числе частиц, превышающем несколько десятков тысяч, тогда как для получения количественно согласующихся с экспериментом результатов требуется рассматривать до нескольких миллионов вихревых частиц. Выполнена адаптация и оптимизация для графических ускорителей (GPU) гибридного быстрого алгоритма, объединяющего идеи метода Барнса—Хата и метода мультиполей. Алгоритм обеспечивает квазилинейную сложность за счет построения LBVH-дерева и мультипольных разложений для аппроксимации влияния удаленных кластеров частиц. На его основе разработаны и реализованы на GPU вспомогательные алгоритмы поиска ближайших соседей и контроля проникновения частиц внутрь обтекаемого контура. Созданные алгоритмы интегрированы в программный комплекс VM2D. Вычислительные эксперименты по моделированию обтекания системы профилей на графических ускорителях NVIDIA H100, Titan V, GeForce RTX 5080 подтвердили высокую производительность реализации. Выполненная оптимизация алгоритма позволила добиться трехкратного ускорения выполнения основных операций, при этом погрешность вычисления скоростей вихревых частиц остается на весьма низком уровне. Работа открывает перспективы использования оптимизированных GPU-алгоритмов и производительных графических ускорителей для ресурсоемких расчетов в вихревых методах вычислительной гидродинамики.
Короткий адрес: https://sciup.org/147255444
IDS: 147255444 | УДК: 519.6+532.5 | DOI: 10.14529/cmse260302
An Efficient CUDA Implementation of Fast Algorithms for Computing Particle Interactions in Vortex Particle Method for 2D Flow Simulating
This work addresses the problem of improving the computational efficiency of calculating mutual interactions between vortex particles in vortex particle methods for simulating 2D incompressible flows. Direct computation, with its quadratic complexity, becomes infeasible when the number of particles exceeds several tens of thousands, whereas achieving results that are quantitatively consistent with experiments requires introducing up to several million vortex particles. We have adapted and optimized a hybrid fast algorithm for GPUs, which combines the principles of the Barnes—Hut method and the Multipole method. This algorithm achieves quasi-linear computational complexity by constructing an LBVH-tree and employing multipole expansions to approximate the influence of distant particle clusters. Based on this core algorithm, we have also developed and implemented auxiliary GPU routines for nearest neighbor searches and for preventing particles from penetrating solid boundaries. The developed algorithms are integrated into the VM2D code. Computational experiments simulating flow around a system of airfoils were performed on NVIDIA GPUs (H100, Titan V, GeForce RTX 5080), confirming the high performance of the implementation. The optimizations resulted in a threefold speedup of the most time-consuming computational operations, while maintaining a very low level of error in calculating vortex particle velocities. This research opens up prospects for the use of optimized GPU algorithms and high-performance GPUs in resource-intensive calculations within the vortex particle method framework for computational fluid dynamics.
