航空發(fā)動機(jī)高性能數(shù)值仿真應(yīng)用

文/陳高陽

1　航空發(fā)動機(jī)特殊工程要求

航空發(fā)動機(jī)有著高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的機(jī)械特點，目前更是朝著負(fù)荷更高、效率更高、部件耐久性更好、結(jié)構(gòu)更加緊湊的方向發(fā)展。同時，其內(nèi)部的氣動流向，特別是非定常、環(huán)保設(shè)計、流固耦合等特殊工程研究，也在逐步開展。這些工程應(yīng)用研究，離不開高性能數(shù)值仿真計算，正確的數(shù)值仿真方法，有效的計算資源配置，能夠提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，縮短設(shè)計周期，降低研制成本。

2　主要數(shù)值模擬計算軟件類型

2.1　隱式結(jié)構(gòu)分析應(yīng)用程序

隱式結(jié)構(gòu)分析應(yīng)用程序，其主要特點是線性度不好，加速比不高，跨計算節(jié)點后性能提高不明顯；單個作業(yè)對內(nèi)存的需求比較大，對存儲I/O 的需求量非常大，通常在計算過程中，會產(chǎn)生大量的本地交換文件，這些文件是臨時存放的，但文件存儲的性能直接影響到計算效率。同時在計算過程中，各分布式節(jié)點需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換，經(jīng)驗表明許多問題的計算成本大致與自由度數(shù)的平方成正比，而且磁盤空間和內(nèi)存需求也以同樣的方式增長。在行業(yè)內(nèi)，主要計算商業(yè)軟件包括Ansys，Abaqus以及Nastran等，也有自行開發(fā)的計算軟件，經(jīng)過我們應(yīng)用測試，這類軟件的運行通常在SMP小型機(jī)或胖節(jié)點服務(wù)器上可以獲得更好的性能，主要原因是單個作業(yè)對內(nèi)存、存儲I/O需求量大，且在計算過程中，會產(chǎn)生大量本地交換文件，因此，應(yīng)用胖節(jié)點服務(wù)期運行隱式結(jié)構(gòu)分析應(yīng)用程序，可以起到事半功倍的效果，特別是在我們工程應(yīng)用領(lǐng)域，其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于多節(jié)點并行處理方式。

表1：測試案例

2.2　顯式分析應(yīng)用程序

顯示計算主要特點是并行效果好，能夠在集群環(huán)境下，任務(wù)并行到多個計算節(jié)點，數(shù)據(jù)交換主要在作業(yè)遞交和計算結(jié)果的提取兩個過程，在計算求解期間，顯式計算方式各節(jié)點之間數(shù)據(jù)交換的頻率和數(shù)據(jù)量并不大。在我們現(xiàn)有的運行集群系統(tǒng)構(gòu)架中，通常每個節(jié)點配置2 個物理CPU，每個CPU 配置2GB 內(nèi)存，本地配置固態(tài)硬盤。其中CFX和Flunt是兩款常用的流體計算商業(yè)軟件，在工程應(yīng)用過程中，這兩款商業(yè)軟件當(dāng)前主流版本表現(xiàn)了優(yōu)秀的并行處理性能，并且解決了之前工程設(shè)計過程某些無法通過數(shù)據(jù)仿真計算來模擬的工程應(yīng)用場景，如高網(wǎng)格精度單通道氣動性能計算，單個3000萬網(wǎng)格精度模型，300個左右設(shè)計方案，經(jīng)過一個月的計算，工程設(shè)計選出了較優(yōu)的方案。

其中，ABAQUS和ANSYS是兩款比較特殊的軟件，它們的計算方法既支持顯式計算，也支持隱式計算。我們常用的有限元軟件一般都是隱式計算方法，就是解方程[K][U]=[P]。而顯式計算則是使用時間積分的方法。顯示積分在動力計算中幾乎不存在不收斂的問題，所以在動力學(xué)及彈塑性分析中使用的較多，目前這是國內(nèi)進(jìn)行動力學(xué)及彈塑性分析中使用最多的兩款軟件。

綜上所述，在工程設(shè)計過程中，選取好的數(shù)值模擬方法配合恰當(dāng)?shù)挠嬎憔?，可以起到事半功倍的效果，并最終提高工程設(shè)計效率，得到較高的工程設(shè)計質(zhì)量。當(dāng)然，計算精度不是越高越好，在計算過程中，計算精度的提高，伴隨的是計算資源的成倍增長，前期處理人力資源的增加，且計算精度在達(dá)到一定量級后，其計算結(jié)果將不再發(fā)生改變，因此計算精度的選取，應(yīng)結(jié)合設(shè)計人員的工程經(jīng)驗和試驗校核來進(jìn)行。

3　工程應(yīng)用測試案例

3.1　工程應(yīng)用測試案例

該測試以計算節(jié)點為單位，每節(jié)點配置20 核，測試 5 個不同的Fluent 算例，使用不同的 CPU 核數(shù)并行，分析 Fluent 算例的并行擴(kuò)展性和算例規(guī)模、CPU 核數(shù)之間的關(guān)系。如表1所示。

3.2　結(jié)論

Fluent等這些主流商業(yè)計算軟件，并行擴(kuò)展性都較好，各進(jìn)程間負(fù)載均勻，每節(jié)點內(nèi)存需求不大，但內(nèi)存訪問帶寬較大，InfiniBand流量帶寬都比較大，對網(wǎng)絡(luò)帶寬和延遲性能要求較高，理論上節(jié)點數(shù)越多，計算效率越好，但不同商業(yè)軟件版本，對最大并行節(jié)點數(shù)都有一定限制，隨著新版本的軟件更新，其支持最大并行節(jié)點數(shù)都會有一定的變化。