高性能計算在航空發(fā)動機的應用
時間:2022-08-31 11:14:45
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仿真技術綜合了跨學科、跨專業(yè)等多應用領域的信息技術、數(shù)學思想,以計算機為工具,依托系統(tǒng)模型對假想或?qū)嶋H的系統(tǒng)開展研究測試,被廣泛應用于各類復雜產(chǎn)品的研發(fā)設計中。本文根據(jù)航空發(fā)動機設計仿真的特點,對高性能計算在此場景下的應用特征進行了探索,提出了解決仿真需求的技術途徑。
一、航空發(fā)動機仿真計算特點
航空發(fā)動機仿真,涉及了內(nèi)流氣動熱力學、結構力學、材料等多個學科的相關技術,其依托高性能計算基礎資源并利用CAD/CAE等專業(yè)應用軟件,實現(xiàn)對航空發(fā)動機整機、部件以及系統(tǒng)的高效率、高保真耦合數(shù)值模擬。其仿真計算過程可分為前處理、求解、后處理三個階段。(一)前處理。前處理的主要工作是進行幾何模型、網(wǎng)格模型的建立。首先參照實物狀態(tài)進行建模,然后對照幾何模型設定計算域并進行網(wǎng)格劃分,最后配置求解前的各邊界條件、初場等,完成計算參數(shù)的設定。(二)求解。求解主要是利用計算機CPU對仿真模型進行分析,計算各個網(wǎng)格單元結構,預測模型的變化特性、趨勢等。其主要包含結構分析、流體動力學分析、電磁場分析以及多物理場的耦合分析等。(三)后處理。后處理的主要工作是處理期望的求
解結果,通常利用殘差圖、云圖等相關特性圖進行輔助分析,提取求解結果中的關鍵數(shù)值。
二、航空發(fā)動機仿真算力需求分析
根據(jù)航空發(fā)動機仿真計算的特點,各階段對硬件資源的需求不同,高性能計算資源的配置將直接影響仿真計算的效率表現(xiàn)。前處理、后處理階段涉及的仿真應用屬于GPU密集型,需要使用大量的圖形資源,對顯卡的圖形處理性能有著較高的要求;求解階段為數(shù)學方程計算,以CPU計算為主,結合GPU輔助加速等方式實現(xiàn)數(shù)值分析,對CPU的主頻、核心數(shù)、內(nèi)存容量以及磁盤讀寫速度都有著極高的要求,不同求解方式對于硬件資源的需求都略有差異。
(一)前后處理需求分析
前處理階段與后處理階段對于計算資源需求類似。以一個網(wǎng)格量達到億級、文件大小30GB的三維模型為例,在工作站上(CPU6核、內(nèi)存64GB、硬盤4TB、顯存8GB)進行前處理工作,模型可縮放拖拽但不流暢,設備顯卡、內(nèi)存負載較高。求解完成后,進行速度變量處理、切面分析等后處理操作,設備CPU單核負載已達99%,內(nèi)存使用量約50GB,顯卡GPU利用滿載,詳見圖1、圖2所示。由此分析可知,在航空發(fā)動機仿真設計的前后處理階段,對CPU單核處理性能、內(nèi)存大小、顯存緩存均有著十分高的性能要求,配套的高性能計算基礎資源必須滿足以上幾個方面的需求。
(二)求解需求分析
在求解階段,常用的CAE仿真計算類型有流體計算、隱式有限元計算、顯式有限元計算等。流體計算可用于模擬仿真發(fā)動機內(nèi)部實際的流體流動情況,其原理是用數(shù)值方法求解代數(shù)方程組以獲取流場解;有限元計算是基于有限元模型完成有關的數(shù)值計算,其基于區(qū)域分解法來實現(xiàn)計算過程的并行化處理,主要包括隱式求解和顯式求解兩類。流體計算。流體計算利用流體力學中經(jīng)典的數(shù)學思想與計算方法,依托大量高性能的計算機資源,通過并行處理等技術,完成數(shù)學模型的快速求解。流體計算軟件商業(yè)化程度很高,較為流行的商業(yè)軟件包括:CFX、Fluent等。各類軟件大多具備較強的并行擴展能力,可加快網(wǎng)格模型的求解效率,其原理是將求解模型分解成多個區(qū)域,每個區(qū)域分配一定的CPU資源開展計算,多個區(qū)域之間通過并行計算實現(xiàn)整個問題的高效求解。劃分越多的CPU資源,計算效率將會明顯提升。隱式有限元計算。隱式求解通常用于結構靜力學、動力學分析,其通常采用共享內(nèi)存并行和分布式內(nèi)存并行的方式進行計算,要求節(jié)點的內(nèi)存容量大、磁盤IO速度快,對于單進程的讀寫帶寬也有著較高的要求。該類計算對資源的需求和流體計算有著明顯的區(qū)別,當采用更多核數(shù)計算時會一定程度上提高并行效率,但并行效果不如流體計算,而伴隨而來的問題則是存儲讀寫帶寬大幅增加。此類計算適合在單節(jié)點內(nèi)運行,須保證節(jié)點的CPU單核性能、內(nèi)存容量、單線程讀寫性能以及鏈路聚合帶寬。顯式有限元計算。顯式求解通常用于計算變形、包容性驗證等動力學問題。相較于隱式求解,顯式解法對內(nèi)存、磁盤IO和通信延遲的要求要低一些,對硬件平臺的可擴展性適配較好。相較于流體計算,整體對資源的需求類似,但在內(nèi)存容量方面需求更大。
三、高性能計算應用技術研究
研究航空發(fā)動機仿真計算需求的主要目的是為了能夠更深刻、更詳細的了解業(yè)務與計算力的需求關系,以及計算力是如何解決業(yè)務問題的。透徹的需求分析,能夠在高性能計算技術運用時,更加準確、合理的提出架構設計、集群硬件選型以及相關軟件系統(tǒng)的應用,最終形成覆蓋航空發(fā)動機仿真計算業(yè)務全過程的高性能計算平臺。通過上述研究,本文對航空發(fā)動機設計仿真的資源需求進行了匯總,如表1所示。通過深入研究航空發(fā)動機仿真計算的類型與特點,對算力資源需求展開詳細分析,明確了高性能計算平臺基礎運行環(huán)境的選型配置將直接決定仿真計算的效率,共性的服務器配置無法有效滿足全部業(yè)務需求。因此,在開展面向航空發(fā)動機仿真特點的高性能計算應用時,須重點考慮計算、網(wǎng)絡、存儲、管理、圖形等多類資源的規(guī)劃配置,總結為以下幾點:在計算資源規(guī)劃上,始終要保證以仿真業(yè)務需求為核心,計算資源建議由高密度節(jié)點、大內(nèi)存節(jié)點等多形態(tài)節(jié)點組成,形成差異化的高性能計算資源池,滿足仿真計算各階段不同類型計算資源的需求,保證資源利用的最大化。在網(wǎng)絡資源規(guī)劃上,將網(wǎng)絡劃分為計算和管理網(wǎng)絡。根據(jù)行業(yè)應用特點,計算網(wǎng)絡推薦采用低延遲、大帶寬的Infiniband網(wǎng)絡,管理網(wǎng)絡則采用核心—接入的二層以太網(wǎng)架構模式,并將業(yè)務管理網(wǎng)絡和設備管理網(wǎng)絡獨立建設。在存儲資源規(guī)劃上,根據(jù)仿真計算類型等業(yè)務需求,采用可擴展的并行存儲,配置并行文件系統(tǒng)。架構設計以一級存儲(存儲)加二級存儲(備份)的運行方式,重點提升存儲聚合帶寬、單線程讀寫速度,擴容存儲容量,滿足各類仿真計算類型的存儲應用需求。在管理資源規(guī)劃上,配置冗余的管理/登錄服務器搭載作業(yè)調(diào)度、仿真應用軟件,按需開展統(tǒng)計報表、集群管作者單位:中國航發(fā)湖南動力機械研究所理等系統(tǒng)建設,實現(xiàn)高性能計算平臺統(tǒng)一運維,保證高性能計算平臺的穩(wěn)定、高效運行。在圖形資源規(guī)劃上,集中配置圖形服務器或工作站。通過靈活的資源池劃分與作業(yè)調(diào)度策略,實現(xiàn)有限元計算、前后處理、三維設計等多態(tài)仿真在集中資源池的“云化”應用,全面提升設備使用效率,形成一套完整的面向航空發(fā)動機仿真計算全過程應用的高性能圖形資源池。
四、結語
本文主要介紹了高性能計算在航空發(fā)動機設計仿真中的應用思路,分析了本行業(yè)的仿真業(yè)務特點以及對算力資源的差異化需求,最終形成了適用于航空發(fā)動機領域、具備行業(yè)特征的高性能計算應用實踐,在行業(yè)內(nèi)具有一定的借鑒價值。
作者:賴翔