Fast Modeling of Radiation and Conduction Heat Transfer and application example
Description
The release of CUDA by NVIDIA in 2007 has tremendously increased GPU programmability, thus allowing scientific and engineering applications to take advantage of the high GPU compute capability. In this work, we present ultra-fast solutions for radiation and diffusion heat transfer on the GPU. First, the Multiple Absorption Coefficient Zonal Method (MACZM) for computing direct radiative exchange factors in 3D semi-transparent media is reviewed and validated. Then, an efficient implementation of MACZM is presented, based on discrete geometry algorithms, and an optimized GPU CUDA parallelization. The CUDA implementation achieves 300 to 600 times speed-up. The Non-recursive Plating Algorithm (NRPA), a non-recursive version of the plating algorithm for computing total exchange factors is then formulated. Due to low-complexity matrix multiplication algorithms, the NRPA has lower complexity than the PA does and it runs up to 750 times faster on the GPU by comparison to the CPU PA. On the other hand, an efficient GPU implementation for the Locally One Dimensional (LOD) finite difference split method for solving heat diffusion is presented, based on an optimized alternation between parallelization schemes and equation solvers, achieving accelerations from 75 to 250 times. Finally, all the methods are applied together for solving 3D heat transfers in a steel reheating furnace. A multi-grid approach is applied for MACZM and a zone-by-zone computation for the NRPA. As a result, high precision and very fast computation time are achieved, making the methods of high interest for building precise and efficient control units. (author)
Abstract (French)
L'apparition de CUDA en 2007 a rendu les GPU hautement programmables permettant ainsi aux applications scientifiques et techniques de profiter de leur capacite de calcul elevee. Des solutions ultra-rapides pour la resolution des transferts de chaleur par rayonnement et par conduction sur GPU sont presentees dans ce travail. Tout d'abord, la methode MACZM pour le calcul des facteurs de transferts radiatifs directs en 3D et en milieu semi-transparent est representee et validee. Ensuite, une implementation efficace de la methode a la base d'algorithmes de geometrie discrete et d'une parallelisation optimisee sur GPU dans CUDA atteignant une acceleration de 300 a 600 fois, est presentee. Ceci est suivi par la formulation du NRPA, une version non-recursive de l'algorithme des revetements pour le calcul des facteurs d'echanges radiatifs totaux. La complexite du NRPA est inferieure a celle du PA et son execution sur GPU est jusqu'a 750 fois plus rapide que l'execution du PA sur CPU. D'autre part, une implementation efficace de la LOD sur GPU est presentee, consistant d'une alternance optimisee des solveurs et schemas de parallelisation et achevant une acceleration GPU de 75 a 250 fois. Finalement, toutes les methodes sont appliquees ensemble pour la resolution des transferts de chaleur en 3D dans un four de rechauffage siderurgique de brames d'acier. Dans ce but, MACZM est appliquee avec un maillage multi-grille et le NRPA est applique au four en le decoupant en zones, permettant d'obtenir un temps de calcul tres rapide avec une precision elevee. Ceci rend les methodes utilisees de tres grande importance pour la conception de strategies de controle efficaces et precises. (auteur)Files
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Additional details
Additional titles
- Original title (English)
- Modelisation Ultra-rapide des Transferts de Chaleur par Rayonnement et par Conduction et exemple d'application
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 102 p.
- Report number
- FRNC-TH--14884
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 54102389
- Subject category
- S42: ENGINEERING; S97: MATHEMATICAL METHODS AND COMPUTING;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- ACCURACY; ALGORITHMS; COMPUTERIZED SIMULATION; FINITE DIFFERENCE METHOD; FURNACES; IMPLEMENTATION; MESH GENERATION; PARALLEL PROCESSING; RADIANT HEAT TRANSFER; TEMPERATURE DISTRIBUTION; THERMAL CONDUCTION
- Descriptors DEC
- CALCULATION METHODS; ENERGY TRANSFER; HEAT TRANSFER; ITERATIVE METHODS; MATHEMATICAL LOGIC; MATHEMATICAL SOLUTIONS; NUMERICAL SOLUTION; PROGRAMMING; SIMULATION
Optional Information
- Notes
- 63 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses