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近年来,随着天然气在我国能源结构中的比重日益增加,天然气管道建设工作如火如荼,与此同时,各地区天然气管网并网运行的趋势也愈发明显,可以预见,我国独立的天然气管网规模将会在未来数年内显著增大。因此,作为管网工艺设计、运行分析的重要手段,天然气管网仿真技术将在未来管网建设运营中扮演更加重要的角色。目前常用的天然气管网仿真软件在面向大型复杂管网时其计算效率仍有欠缺,本文基于近年来在高性能计算领域异军突起的GPU异构计算技术,设计了适用于该异构平台的并行仿真算法,开发了天然气管网仿真的GPU程序,在保证计算精度的前提下,相比于商业软件SPS取得了高达57.57倍的加速比。在这个过程中,我们首先根据天然气管网拓扑结构和方程组的特点,发展了DIMENS(Decoupled Implicit Method for Efficient Network Simulation)算法,该方法将管网各元件的计算解耦,实现了粗粒度层级的并行化,与此同时为进一步提高并行效率,在细粒度层级即元件内部计算时也引入了相应的并行策略,构成了两层级并行仿真方法,该方法任务划分策略简单易行,充分挖掘了原问题的并行性。接下来,针对CPU+GPU异构平台的特点,具体研究了细粒度层的管道预求解块三对角方程组和管网连接点方程组的并行方案,比较了RD算法和PCR算法求解管道块三对角方程组在GPU上的执行效率,讨论了PCG算法求解管网连接点方程组在GPU上的并行模型,最后确定了PCR+PCG(cu SPARSE)的细粒度层实施策略,该方法结合GPU海量线程的特点,实现计算资源的合理利用,充分发挥了GPU的计算能力。最后,我们将开发的GPU程序应用到某实际管网中,对程序在稳态和瞬态工况下的准确性和健壮性进行了验证,其结果符合工程和数值计算要求,接下来通过5组大型天然气管网算例对程序的加速效果进行了考察,与商业软件SPS相比,本文的GPU天然气管网仿真程序能取得高达57.57倍的加速比。本文的研究为未来地区性甚至全国性的天然气管网实时仿真分析提供了更加高效的解决方案,将为天然气管网的建设运行提供重要参考。