Моделирование распространения загрязнений воздуха в городских условиях с использованием технологии NVIDIA CUDA

Моделирование распространения загрязнений воздуха в городских условиях является актуальной задачей, так как позволяет определить пути распространения загрязнения в условиях заданного рельефа местности и заданной городской застройки. Источниками загрязнения могут являться различные промышленные предприятия, электростанции, а также крупные автомагистрали с большим транспортным потоком. В условиях городской застройки важно знать, куда и как будут распространяться вредные воздушные выбросы от этих источников. Чтобы получить ответ на этот вопрос, можно создать компьютерную симуляцию такого выброса и посмотреть, как он будет себя вести.Так как моделироваться будет движение газа, то в основе математической модели такой компьютерной симуляции будут лежать уравнения Навье – Стокса.Существует несколько способов численного решения дифференциальных уравнений. Наиболее распространенным способом является сеточный метод. Сеточный метод применяется при решении различных задач математической физики (например, для расчета тепловых и электрических полей). Также он популярен и при численном решении уравнений Навье – Стокса. При сеточном методе расчетная область разбивается на ячейки, то есть на нее накладывается трехмерная сетка, и в каждой ячейке этой области вычисляются значения искомых переменных при помощи той или иной разностной схемы. Еще одним немаловажным достоинством сеточного метода является то, что производимые вычисления достаточно легко поддаются распараллеливанию.Эффективным способом выполнения параллельных вычислений являются вычисления на графическом процессоре (GPU). В качестве платформы для проведения таких вычислений была выбрана NVIDIA CUDA.Созданная автором реализация численного метода расчета уравнений Навье – Стокса для моделирования движения воздуха с использованием платформы NVIDIA CUDA позволила получить ускорение вычислений в 18 раз по сравнению с вычислениями на центральном процессоре в один поток.Программу, вычисляющую распространения загрязнений воздуха в городских условиях, можно использовать при планировании строительства городских объектов, места строительства для которых должны быть выбраны с учётом экологической обстановки.