美國(guó)aviationweek網(wǎng)站2015年9月16日刊登題為《CFD Code Modernization Keeps Pace With Supercomputing》的署名文章，認(rèn)為無(wú)論是模擬整臺(tái)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)還是人類大腦的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，追求更快的超級(jí)計(jì)算機(jī)似乎是解決復(fù)雜計(jì)算問(wèn)題的首選。但是，隨著飛機(jī)制造商越來(lái)越多的依靠高性能計(jì)算機(jī)(HPC)進(jìn)行設(shè)計(jì)，我們不得不擔(dān)心過(guò)去幾十年發(fā)展成熟的代碼是否會(huì)在新的計(jì)算架構(gòu)下失效。
近日，Ansys公司發(fā)布聲明稱，該公司業(yè)已廣泛流行的CFD商業(yè)軟件-Fluent獲得的新的突破，實(shí)現(xiàn)了在Cray XC30超級(jí)計(jì)算機(jī)上利用12.9萬(wàn)個(gè)核的并行計(jì)算模擬了燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室。此舉驗(yàn)證了CFD代碼通過(guò)改進(jìn)升級(jí)可以實(shí)現(xiàn)更多核的并行計(jì)算，保持與HPC的同步發(fā)展。
像Fluent這樣的模擬工具可以實(shí)現(xiàn)在原型機(jī)制造前對(duì)產(chǎn)品的模擬，它們被廣泛的應(yīng)用于飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)研制中。HPC產(chǎn)品經(jīng)理維姆·斯拉特表示，“我們的客戶一直在追求使用更快的HPC以更低的成本處理更大和更加復(fù)雜的問(wèn)題。”
HPC計(jì)算速度的不斷提高是通過(guò)并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)的，它是將工作任務(wù)分割為若干個(gè)小的任務(wù)分給成千上萬(wàn)的處理器(核)同時(shí)工作。因此，計(jì)算軟件必須能夠支持大規(guī)模的并行，并且適應(yīng)新的高速計(jì)算架構(gòu)。新的高速計(jì)算架構(gòu)包括采用由英偉達(dá)(Nvdia)開發(fā)的GPU(圖像處理單元)和英特爾(Intel)的壓縮加速和高速互聯(lián)技術(shù)。
Ansys公司表示，十年前，最復(fù)雜的模擬一般使用最多512個(gè)核。就在不到1年前，F(xiàn)luent已經(jīng)擴(kuò)展到可以并行使用3.6萬(wàn)個(gè)核。最近的這次突破更是代表了幾乎4倍的速度提升，并且還意味著可以進(jìn)行范圍更大、更加真實(shí)的問(wèn)題和產(chǎn)品模擬。
斯拉特表示，“這次突破不僅僅是一個(gè)演示，這是我們對(duì)一個(gè)真實(shí)工業(yè)模型——包含復(fù)雜物理現(xiàn)象的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的模擬。它不是簡(jiǎn)單的單相流動(dòng)，它是包含了湍流、化學(xué)反應(yīng)在內(nèi)的多相流問(wèn)題，完全代表了真實(shí)的物理過(guò)程。這項(xiàng)突破打開了Fluent在更大范圍應(yīng)用的大門。”
如今的飛機(jī)制造商喜歡在他們各自的中型計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)值模擬，通常使用的處理器個(gè)數(shù)僅為幾百個(gè)。但是未來(lái)存在不斷擴(kuò)大并行處理速度的需求，斯拉特表示，“制造商會(huì)不斷地追求更高的HPC能力，他們希望采用更加細(xì)致的幾何構(gòu)型，更加全面、系統(tǒng)的模擬整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)。”
工業(yè)界目前存在的一個(gè)趨勢(shì)是將HPC設(shè)施集中在一個(gè)數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)成千上萬(wàn)個(gè)處理器的并行計(jì)算。斯拉特表示，“包括NASA和空客在內(nèi)的一些機(jī)構(gòu)和公司具有很大的運(yùn)行大規(guī)模數(shù)值模擬的能力需求。他們希望模擬完整的飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)，甚至進(jìn)行實(shí)時(shí)的CFD飛行模擬。”
實(shí)現(xiàn)大規(guī)模復(fù)雜問(wèn)題的數(shù)值模擬需要對(duì)傳統(tǒng)的CFD軟件進(jìn)行現(xiàn)代化的發(fā)展改進(jìn)。這需要從網(wǎng)格生成到可視化、優(yōu)化的全模擬過(guò)程實(shí)現(xiàn)并行。斯拉特表示，“這并不是一個(gè)小事。將模擬任務(wù)分發(fā)給多個(gè)處理器，實(shí)現(xiàn)處理器之間的互聯(lián)、數(shù)據(jù)的交換和同步并不容易。”
Fluent軟件開發(fā)人員付出了巨大的努力對(duì)傳統(tǒng)的Fluent軟件進(jìn)行了適應(yīng)性升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模并行和高效計(jì)算。據(jù)稱，此次在Cray XC30超級(jí)計(jì)算機(jī)上的燃燒室計(jì)算發(fā)揮了該機(jī)90%的效能，而在這之前很少有CFD軟件進(jìn)行如此規(guī)模的數(shù)值模擬可以發(fā)揮75%以上的效能。這可以說(shuō)是Fluent軟件獲得的前所未有的突破。
軟件代碼改進(jìn)獲得的效率提升同樣對(duì)于小規(guī)模的數(shù)值模擬也有幫助。斯拉特表示，“軟件改進(jìn)也可以提高在較小的計(jì)算機(jī)群上模擬小型問(wèn)題的效率。我們的目標(biāo)是將CFD軟件進(jìn)行集成，幫助制造商實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的基于CFD的飛行模擬。”
Fluent軟件對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的模擬
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