一種基于cuda的穩(wěn)態(tài)多元共聚快速化學(xué)組成分布計(jì)算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于CUDA平臺(tái)下的應(yīng)用在穩(wěn)態(tài)多元共聚中的快速化學(xué)組成分布計(jì)算方法。本發(fā)明針對(duì)多元共聚反應(yīng)中的穩(wěn)態(tài)過(guò)程，依靠聚合反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)理，以蒙特卡羅方法為基礎(chǔ)，在統(tǒng)一計(jì)算設(shè)備架構(gòu)（CUDA）平臺(tái)下給出了一種求取多元共聚物化學(xué)組成分布的快速計(jì)算方法。該方法首先通過(guò)聚合反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)理等給出了蒙特卡羅方法中所需要的不同概率，通過(guò)在CUDA平臺(tái)上并行的執(zhí)行蒙特卡羅方法，最終得到所需要的化學(xué)組成分布。由于整個(gè)計(jì)算過(guò)程并行度較高，從而使得計(jì)算時(shí)間大幅度縮短，因此稱為快速化學(xué)組成分布計(jì)算方法。
【專利說(shuō)明】—種基于CUDA的穩(wěn)態(tài)多元共聚快速化學(xué)組成分布計(jì)算方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于CUDA平臺(tái)下的高分子多元共聚穩(wěn)態(tài)過(guò)程中的快速化學(xué)組成分布計(jì)算技術(shù)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨機(jī)數(shù)生成器，是指的能夠生成隨機(jī)數(shù)的函數(shù)或者程序模塊。在連續(xù)型隨機(jī)變量的分布中，最簡(jiǎn)單而且最基本的分布是單位均勻分布，由該分布抽取的簡(jiǎn)單子樣稱為隨機(jī)數(shù)序列，其中每一個(gè)個(gè)體稱為隨機(jī)數(shù)。獨(dú)立性、均勻性是隨機(jī)數(shù)必備的兩個(gè)特點(diǎn)。包括蒙特卡羅計(jì)算方法在內(nèi)的大多數(shù)算法都要求所采用的隨機(jī)數(shù)序列服從均勻分布，即同一范圍內(nèi)的任一個(gè)數(shù)出現(xiàn)的概率相同。
[0003]蒙特卡羅方法，也稱統(tǒng)計(jì)模擬方法，是二十世紀(jì)四十年代中期由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明而被提出的一種以概率統(tǒng)計(jì)理論為指導(dǎo)的一類非常重要的數(shù)值計(jì)算方法。該方法使用隨機(jī)數(shù)(或更常見的偽隨機(jī)數(shù))來(lái)解決很多計(jì)算問題，與它對(duì)應(yīng)的是確定性算法。蒙特卡羅方法在化工領(lǐng)域已經(jīng)得到認(rèn)可和應(yīng)用。在給定動(dòng)力學(xué)機(jī)理的情況下，根據(jù)共聚系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的各個(gè)狀態(tài)值來(lái)計(jì)算出不同反應(yīng)類型的概率；其次，設(shè)定的共聚體系中存在的分子鏈的數(shù)目，并進(jìn)一步根據(jù)隨機(jī)數(shù)生成器所生成的一系列隨機(jī)數(shù)來(lái)重復(fù)的判定反應(yīng)中各條鏈的反應(yīng)情況，直到整個(gè)系統(tǒng)中的所有鏈都終止了為止。
[0004]統(tǒng)一計(jì)算設(shè)備架構(gòu)(CUDA)，是顯卡產(chǎn)商N(yùn)VIDIA推出的運(yùn)算平臺(tái)，是一種通用并行計(jì)算架構(gòu)。由于它包含了指令集架構(gòu)以及并行計(jì)算引擎，因此能夠解決很多復(fù)雜的計(jì)算問題，并且大幅度的縮短計(jì)算時(shí)間，計(jì)算效率得到明顯的提升。
[0005]化學(xué)組成分布，是指不同種類單體在分子鏈中所占比重的一類分布。在高分子化學(xué)領(lǐng)域，聚合物的性能指標(biāo)包括常見的熔融指數(shù)、平均分子量、分子量分布，然而在共聚體系中這些指標(biāo)并不能完全的描述聚合物的性能，因此就需要研究更為細(xì)致的化學(xué)組成分布。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是針對(duì)穩(wěn)態(tài)多元共聚體系中自由基聚合反應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景，提供一種基于CUDA的穩(wěn)態(tài)多元共聚快速化學(xué)組成分布計(jì)算方法。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]一種基于CUDA的穩(wěn)態(tài)多元共聚快速化學(xué)組成分布計(jì)算方法包括如下步驟:
[0009]a.讀取穩(wěn)態(tài)多元共聚體系的狀態(tài)值，包括鏈增長(zhǎng)、鏈轉(zhuǎn)移、鏈終止反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)常數(shù)以及各類單體、鏈轉(zhuǎn)移劑、鏈終止劑的濃度；
[0010]b.計(jì)算蒙特卡羅方法所需要的各個(gè)概率值，包括以各類單體結(jié)尾的活性鏈發(fā)生鏈增長(zhǎng)反應(yīng)的概率Pi以及以各類單體結(jié)尾的活性鏈向各類單體鏈增長(zhǎng)的概率pu，以各類單體結(jié)尾的活性鏈發(fā)生鏈增長(zhǎng)反應(yīng)的概率即將各類單體結(jié)尾的鏈增長(zhǎng)化學(xué)反應(yīng)速率乘以相應(yīng)單體的濃度之后的加和，除以各類單體結(jié)尾的鏈增長(zhǎng)、鏈轉(zhuǎn)移、鏈終止化學(xué)反應(yīng)速率乘以相應(yīng)單體的濃度之后的加和，以各類單體結(jié)尾的活性鏈向各類單體鏈增長(zhǎng)的概率即將向各類單體鏈增長(zhǎng)化學(xué)反應(yīng)速率乘以對(duì)應(yīng)單體的濃度，除以各類單體結(jié)尾的鏈增長(zhǎng)化學(xué)反應(yīng)速率乘以相應(yīng)單體的濃度之后的加和；以公式表示:

【權(quán)利要求】
1.一種基于CUDA的穩(wěn)態(tài)多元共聚快速化學(xué)組成分布計(jì)算方法，其特征在于包括如下步驟: a.讀取穩(wěn)態(tài)多元共聚體系的狀態(tài)值，包括鏈增長(zhǎng)、鏈轉(zhuǎn)移、鏈終止反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)常數(shù)以及各類單體、鏈轉(zhuǎn)移劑、鏈終止劑的濃度； b.計(jì)算蒙特卡羅方法所需要的各個(gè)概率值，包括以各類單體結(jié)尾的活性鏈發(fā)生鏈增長(zhǎng)反應(yīng)的概率Pi以及以各類單體結(jié)尾的活性鏈向各類單體鏈增長(zhǎng)的概率Pij:
其中，Rpi表示聚合反應(yīng)中以單體i結(jié)尾的活性鏈鏈增長(zhǎng)速率；Rti表示以單體i結(jié)尾的活性鏈鏈轉(zhuǎn)移速率；Rdi表示以單體i結(jié)尾的活性鏈鏈終止速率；[j]、[m]分別表示單體j、單體m的濃度；kpU、kpiD1*別表示以單體i結(jié)尾的活性鏈向單體；j、單體m發(fā)生鏈增長(zhǎng)的化學(xué)反應(yīng)速率； c.將步驟b計(jì)算得到的概率值從CPU平臺(tái)傳遞到CUDA平臺(tái)上； d.在CUDA平臺(tái)上開辟用于記錄序列信息的存儲(chǔ)空間以及數(shù)目等于模擬總鏈數(shù)的線程數(shù)； e.并行的執(zhí)行所有線程，在每個(gè)線程里依靠步驟b中得到的概率，順序地判斷相應(yīng)活性鏈?zhǔn)欠癜l(fā)生鏈增長(zhǎng)；若否，停止該線程的模擬計(jì)算并將得到的化學(xué)組成信息按線程編號(hào)在存儲(chǔ)空間中進(jìn)行存儲(chǔ)；若是，則繼續(xù)進(jìn)行判斷向哪一類單體進(jìn)行鏈增長(zhǎng)并記錄對(duì)應(yīng)的化學(xué)組成信息； f.重復(fù)步驟e，直到獲得停止信息并退出； g.將記錄的化學(xué)組成信息從CUDA平臺(tái)傳遞到CPU平臺(tái)上； h.統(tǒng)計(jì)所有的化學(xué)組成信息，得到所需要的化學(xué)組成分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CUDA的穩(wěn)態(tài)多元共聚快速化學(xué)組成分布計(jì)算方法，其特征在于所述的步驟b中所述的蒙特卡羅方法的模擬平臺(tái)為CUDA。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CUDA的穩(wěn)態(tài)多元共聚快速化學(xué)組成分布計(jì)算方法，其特征在于所述的步驟b中所述的蒙特卡羅方法的模擬方式為每個(gè)模擬線程都只進(jìn)行一條鏈的模擬過(guò)程。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CUDA的穩(wěn)態(tài)多元共聚快速化學(xué)組成分布計(jì)算方法，其特征在于所述的步驟b中所述的蒙特卡羅方法的模擬順序?yàn)椴⑿械膱?zhí)行多個(gè)蒙特卡羅模擬線程。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CUDA的穩(wěn)態(tài)多元共聚快速化學(xué)組成分布計(jì)算方法，其特征在于所述的步驟e中所述的記錄信息為鏈中所有的化學(xué)組成信息。
【文檔編號(hào)】G06F9/46GK104166784SQ201410325208
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月9日
【發(fā)明者】翁金祖, 陳曦, 邵之江 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)