導(dǎo)語(yǔ)：高性能計(jì)算在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

仿真技術(shù)綜合了跨學(xué)科、跨專業(yè)等多應(yīng)用領(lǐng)域的信息技術(shù)、數(shù)學(xué)思想，以計(jì)算機(jī)為工具，依托系統(tǒng)模型對(duì)假想或?qū)嶋H的系統(tǒng)開(kāi)展研究測(cè)試，被廣泛應(yīng)用于各類復(fù)雜產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)中。本文根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)仿真的特點(diǎn)，對(duì)高性能計(jì)算在此場(chǎng)景下的應(yīng)用特征進(jìn)行了探索，提出了解決仿真需求的技術(shù)途徑。

一、航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真計(jì)算特點(diǎn)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真，涉及了內(nèi)流氣動(dòng)熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料等多個(gè)學(xué)科的相關(guān)技術(shù)，其依托高性能計(jì)算基礎(chǔ)資源并利用CAD/CAE等專業(yè)應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)、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(jì)算過(guò)程可分為前處理、求解、后處理三個(gè)階段。（一）前處理。前處理的主要工作是進(jìn)行幾何模型、網(wǎng)格模型的建立。首先參照實(shí)物狀態(tài)進(jìn)行建模，然后對(duì)照幾何模型設(shè)定計(jì)算域并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后配置求解前的各邊界條件、初場(chǎng)等，完成計(jì)算參數(shù)的設(shè)定。（二）求解。求解主要是利用計(jì)算機(jī)CPU對(duì)仿真模型進(jìn)行分析，計(jì)算各個(gè)網(wǎng)格單元結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)模型的變化特性、趨勢(shì)等。其主要包含結(jié)構(gòu)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析以及多物理場(chǎng)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(jié)果，通常利用殘差圖、云圖等相關(guān)特性圖進(jìn)行輔助分析，提取求解結(jié)果中的關(guān)鍵數(shù)值。

二、航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真算力需求分析

根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真計(jì)算的特點(diǎn)，各階段對(duì)硬件資源的需求不同，高性能計(jì)算資源的配置將直接影響仿真計(jì)算的效率表現(xiàn)。前處理、后處理階段涉及的仿真應(yīng)用屬于GPU密集型，需要使用大量的圖形資源，對(duì)顯卡的圖形處理性能有著較高的要求；求解階段為數(shù)學(xué)方程計(jì)算，以CPU計(jì)算為主，結(jié)合GPU輔助加速等方式實(shí)現(xiàn)數(shù)值分析，對(duì)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(duì)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(duì)于計(jì)算資源需求類似。以一個(gè)網(wǎng)格量達(dá)到億級(jí)、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(jìn)行前處理工作，模型可縮放拖拽但不流暢，設(shè)備顯卡、內(nèi)存負(fù)載較高。求解完成后，進(jìn)行速度變量處理、切面分析等后處理操作，設(shè)備CPU單核負(fù)載已達(dá)99%，內(nèi)存使用量約50GB，顯卡GPU利用滿載，詳見(jiàn)圖1、圖2所示。由此分析可知，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真設(shè)計(jì)的前后處理階段，對(duì)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(jì)算基礎(chǔ)資源必須滿足以上幾個(gè)方面的需求。

（二）求解需求分析

在求解階段，常用的CAE仿真計(jì)算類型有流體計(jì)算、隱式有限元計(jì)算、顯式有限元計(jì)算等。流體計(jì)算可用于模擬仿真發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部實(shí)際的流體流動(dòng)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(chǎng)解；有限元計(jì)算是基于有限元模型完成有關(guān)的數(shù)值計(jì)算，其基于區(qū)域分解法來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算過(guò)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(jì)算。流體計(jì)算利用流體力學(xué)中經(jīng)典的數(shù)學(xué)思想與計(jì)算方法，依托大量高性能的計(jì)算機(jī)資源，通過(guò)并行處理等技術(shù)，完成數(shù)學(xué)模型的快速求解。流體計(jì)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(qiáng)的并行擴(kuò)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(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域分配一定的CPU資源開(kāi)展計(jì)算，多個(gè)區(qū)域之間通過(guò)并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)整個(gè)問(wèn)題的高效求解。劃分越多的CPU資源，計(jì)算效率將會(huì)明顯提升。隱式有限元計(jì)算。隱式求解通常用于結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)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(jìn)行計(jì)算，要求節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存容量大、磁盤IO速度快，對(duì)于單進(jìn)程的讀寫帶寬也有著較高的要求。該類計(jì)算對(duì)資源的需求和流體計(jì)算有著明顯的區(qū)別，當(dāng)采用更多核數(shù)計(jì)算時(shí)會(huì)一定程度上提高并行效率，但并行效果不如流體計(jì)算，而伴隨而來(lái)的問(wèn)題則是存儲(chǔ)讀寫帶寬大幅增加。此類計(jì)算適合在單節(jié)點(diǎn)內(nèi)運(yùn)行，須保證節(jié)點(diǎn)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(jì)算。顯式求解通常用于計(jì)算變形、包容性驗(yàn)證等動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。相較于隱式求解，顯式解法對(duì)內(nèi)存、磁盤IO和通信延遲的要求要低一些，對(duì)硬件平臺(tái)的可擴(kuò)展性適配較好。相較于流體計(jì)算，整體對(duì)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(jì)算應(yīng)用技術(shù)研究

研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真計(jì)算需求的主要目的是為了能夠更深刻、更詳細(xì)的了解業(yè)務(wù)與計(jì)算力的需求關(guān)系，以及計(jì)算力是如何解決業(yè)務(wù)問(wèn)題的。透徹的需求分析，能夠在高性能計(jì)算技術(shù)運(yùn)用時(shí)，更加準(zhǔn)確、合理的提出架構(gòu)設(shè)計(jì)、集群硬件選型以及相關(guān)軟件系統(tǒng)的應(yīng)用，最終形成覆蓋航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真計(jì)算業(yè)務(wù)全過(guò)程的高性能計(jì)算平臺(tái)。通過(guò)上述研究，本文對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)仿真的資源需求進(jìn)行了匯總，如表1所示。通過(guò)深入研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真計(jì)算的類型與特點(diǎn)，對(duì)算力資源需求展開(kāi)詳細(xì)分析，明確了高性能計(jì)算平臺(tái)基礎(chǔ)運(yùn)行環(huán)境的選型配置將直接決定仿真計(jì)算的效率，共性的服務(wù)器配置無(wú)法有效滿足全部業(yè)務(wù)需求。因此，在開(kāi)展面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真特點(diǎn)的高性能計(jì)算應(yīng)用時(shí)，須重點(diǎn)考慮計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、管理、圖形等多類資源的規(guī)劃配置，總結(jié)為以下幾點(diǎn)：在計(jì)算資源規(guī)劃上，始終要保證以仿真業(yè)務(wù)需求為核心，計(jì)算資源建議由高密度節(jié)點(diǎn)、大內(nèi)存節(jié)點(diǎn)等多形態(tài)節(jié)點(diǎn)組成，形成差異化的高性能計(jì)算資源池，滿足仿真計(jì)算各階段不同類型計(jì)算資源的需求，保證資源利用的最大化。在網(wǎng)絡(luò)資源規(guī)劃上，將網(wǎng)絡(luò)劃分為計(jì)算和管理網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)行業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)推薦采用低延遲、大帶寬的Infiniband網(wǎng)絡(luò)，管理網(wǎng)絡(luò)則采用核心—接入的二層以太網(wǎng)架構(gòu)模式，并將業(yè)務(wù)管理網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備管理網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立建設(shè)。在存儲(chǔ)資源規(guī)劃上，根據(jù)仿真計(jì)算類型等業(yè)務(wù)需求，采用可擴(kuò)展的并行存儲(chǔ)，配置并行文件系統(tǒng)。架構(gòu)設(shè)計(jì)以一級(jí)存儲(chǔ)（存儲(chǔ)）加二級(jí)存儲(chǔ)（備份）的運(yùn)行方式，重點(diǎn)提升存儲(chǔ)聚合帶寬、單線程讀寫速度，擴(kuò)容存儲(chǔ)容量，滿足各類仿真計(jì)算類型的存儲(chǔ)應(yīng)用需求。在管理資源規(guī)劃上，配置冗余的管理/登錄服務(wù)器搭載作業(yè)調(diào)度、仿真應(yīng)用軟件，按需開(kāi)展統(tǒng)計(jì)報(bào)表、集群管作者單位：中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所理等系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算平臺(tái)統(tǒng)一運(yùn)維，保證高性能計(jì)算平臺(tái)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行。在圖形資源規(guī)劃上，集中配置圖形服務(wù)器或工作站。通過(guò)靈活的資源池劃分與作業(yè)調(diào)度策略，實(shí)現(xiàn)有限元計(jì)算、前后處理、三維設(shè)計(jì)等多態(tài)仿真在集中資源池的“云化”應(yīng)用，全面提升設(shè)備使用效率，形成一套完整的面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真計(jì)算全過(guò)程應(yīng)用的高性能圖形資源池。

四、結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了高性能計(jì)算在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)仿真中的應(yīng)用思路，分析了本行業(yè)的仿真業(yè)務(wù)特點(diǎn)以及對(duì)算力資源的差異化需求，最終形成了適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域、具備行業(yè)特征的高性能計(jì)算應(yīng)用實(shí)踐，在行業(yè)內(nèi)具有一定的借鑒價(jià)值。

作者：賴翔