高性能計算在航空發動機的應用

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仿真技術綜合了跨學科、跨專業等多應用領域的信息技術、數學思想，以計算機為工具，依托系統模型對假想或實際的系統開展研究測試，被廣泛應用于各類復雜產品的研發設計中。本文根據航空發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、航空發動機仿真計算特點

航空發動機仿真，涉及了內流氣動熱力學、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等專業應用軟件，實現對航空發動機整機、部件以及系統的高效率、高保真耦合數值模擬。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、網格模型的建立。首先參照實物狀態進行建模，然后對照幾何模型設定計算域并進行網格劃分，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值。

二、航空發動機仿真算力需求分析

根據航空發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。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；求解階段為數學方程計算，以CPU計算為主，結合GPU輔助加速等方式實現數值分析，對CPU的主頻、核心數、內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，在航空發動機仿真設計的前后處理階段，對CPU單核處理性能、內存大小、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動機內部實際的流體流動情況，其原理是用數值方法求解代數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值計算，其基于區域分解法來實現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典的數學思想與計算方法，依托大量高性能的計算機資源，通過并行處理等技術，完成數學模型的快速求解。流體計算軟件商業化程度很高，較為流行的商業軟件包括：CFX、Fluent等。各類軟件大多具備較強的并行擴展能力，可加快網格模型的求解效率，其原理是將求解模型分解成多個區域，每個區域分配一定的CPU資源開展計算，多個區域之間通過并行計算實現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，其通常采用共享內存并行和分布式內存并行的方式進行計算，要求節點的內存容量大、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別，當采用更多核數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點內運行，須保證節點的CPU單核性能、內存容量、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、更詳細的了解業務與計算力的需求關系，以及計算力是如何解決業務問題的。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的應用，最終形成覆蓋航空發動機仿真計算業務全過程的高性能計算平臺。通過上述研究，本文對航空發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務需求。因此，在開展面向航空發動機仿真特點的高性能計算應用時，須重點考慮計算、網絡、存儲、管理、圖形等多類資源的規劃配置，總結為以下幾點：在計算資源規劃上，始終要保證以仿真業務需求為核心，計算資源建議由高密度節點、大內存節點等多形態節點組成，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。在網絡資源規劃上，將網絡劃分為計算和管理網絡。根據行業應用特點，計算網絡推薦采用低延遲、大帶寬的Infiniband網絡，管理網絡則采用核心—接入的二層以太網架構模式，并將業務管理網絡和設備管理網絡獨立建設。在存儲資源規劃上，根據仿真計算類型等業務需求，采用可擴展的并行存儲，配置并行文件系統。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。在管理資源規劃上，配置冗余的管理/登錄服務器搭載作業調度、仿真應用軟件，按需開展統計報表、集群管作者單位：中國航發湖南動力機械研究所理等系統建設，實現高性能計算平臺統一運維，保證高性能計算平臺的穩定、高效運行。在圖形資源規劃上，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調度策略，實現有限元計算、前后處理、三維設計等多態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動機設計仿真中的應用思路，分析了本行業的仿真業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動機領域、具備行業特征的高性能計算應用實踐，在行業內具有一定的借鑒價值。

作者：賴翔