航空發動機高性能數值仿真應用

文/陳高陽

1　航空發動機特殊工程要求

航空發動機有著高溫、高壓、高轉速的機械特點，目前更是朝著負荷更高、效率更高、部件耐久性更好、結構更加緊湊的方向發展。同時，其內部的氣動流向，特別是非定常、環保設計、流固耦合等特殊工程研究，也在逐步開展。這些工程應用研究，離不開高性能數值仿真計算，正確的數值仿真方法，有效的計算資源配置，能夠提高產品設計質量，縮短設計周期，降低研制成本。

2　主要數值模擬計算軟件類型

2.1　隱式結構分析應用程序

隱式結構分析應用程序，其主要特點是線性度不好，加速比不高，跨計算節點后性能提高不明顯；單個作業對內存的需求比較大，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，各分布式節點需要進行大量的數據交換，經驗表明許多問題的計算成本大致與自由度數的平方成正比，而且磁盤空間和內存需求也以同樣的方式增長。在行業內，主要計算商業軟件包括Ansys，Abaqus以及Nastran等，也有自行開發的計算軟件，經過我們應用測試，這類軟件的運行通常在SMP小型機或胖節點服務器上可以獲得更好的性能，主要原因是單個作業對內存、存儲I/O需求量大，且在計算過程中，會產生大量本地交換文件，因此，應用胖節點服務期運行隱式結構分析應用程序，可以起到事半功倍的效果，特別是在我們工程應用領域，其效率遠遠高于多節點并行處理方式。

表1：測試案例

2.2　顯式分析應用程序

顯示計算主要特點是并行效果好，能夠在集群環境下，任務并行到多個計算節點，數據交換主要在作業遞交和計算結果的提取兩個過程，在計算求解期間，顯式計算方式各節點之間數據交換的頻率和數據量并不大。在我們現有的運行集群系統構架中，通常每個節點配置2 個物理CPU，每個CPU 配置2GB 內存，本地配置固態硬盤。其中CFX和Flunt是兩款常用的流體計算商業軟件，在工程應用過程中，這兩款商業軟件當前主流版本表現了優秀的并行處理性能，并且解決了之前工程設計過程某些無法通過數據仿真計算來模擬的工程應用場景，如高網格精度單通道氣動性能計算，單個3000萬網格精度模型，300個左右設計方案，經過一個月的計算，工程設計選出了較優的方案。

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，所以在動力學及彈塑性分析中使用的較多，目前這是國內進行動力學及彈塑性分析中使用最多的兩款軟件。

綜上所述，在工程設計過程中，選取好的數值模擬方法配合恰當的計算精度，可以起到事半功倍的效果，并最終提高工程設計效率，得到較高的工程設計質量。當然，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，且計算精度在達到一定量級后，其計算結果將不再發生改變，因此計算精度的選取，應結合設計人員的工程經驗和試驗校核來進行。

3　工程應用測試案例

3.1　工程應用測試案例

該測試以計算節點為單位，每節點配置20 核，測試 5 個不同的Fluent 算例，使用不同的 CPU 核數并行，分析 Fluent 算例的并行擴展性和算例規模、CPU 核數之間的關系。如表1所示。

3.2　結論

Fluent等這些主流商業計算軟件，并行擴展性都較好，各進程間負載均勻，每節點內存需求不大，但內存訪問帶寬較大，InfiniBand流量帶寬都比較大，對網絡帶寬和延遲性能要求較高，理論上節點數越多，計算效率越好，但不同商業軟件版本，對最大并行節點數都有一定限制，隨著新版本的軟件更新，其支持最大并行節點數都會有一定的變化。