航空发动机高性能数值仿真应用

文/陈高阳

1　航空发动机特殊工程要求

航空发动机有着高温、高压、高转速的机械特点，目前更是朝着负荷更高、效率更高、部件耐久性更好、结构更加紧凑的方向发展。同时，其内部的气动流向，特别是非定常、环保设计、流固耦合等特殊工程研究，也在逐步开展。这些工程应用研究，离不开高性能数值仿真计算，正确的数值仿真方法，有效的计算资源配置，能够提高产品设计质量，缩短设计周期，降低研制成本。

2　主要数值模拟计算软件类型

2.1　隐式结构分析应用程序

隐式结构分析应用程序，其主要特点是线性度不好，加速比不高，跨计算节点后性能提高不明显；单个作业对内存的需求比较大，对存储I/O 的需求量非常大，通常在计算过程中，会产生大量的本地交换文件，这些文件是临时存放的，但文件存储的性能直接影响到计算效率。同时在计算过程中，各分布式节点需要进行大量的数据交换，经验表明许多问题的计算成本大致与自由度数的平方成正比，而且磁盘空间和内存需求也以同样的方式增长。在行业内，主要计算商业软件包括Ansys，Abaqus以及Nastran等，也有自行开发的计算软件，经过我们应用测试，这类软件的运行通常在SMP小型机或胖节点服务器上可以获得更好的性能，主要原因是单个作业对内存、存储I/O需求量大，且在计算过程中，会产生大量本地交换文件，因此，应用胖节点服务期运行隐式结构分析应用程序，可以起到事半功倍的效果，特别是在我们工程应用领域，其效率远远高于多节点并行处理方式。

表1：测试案例

2.2　显式分析应用程序

显示计算主要特点是并行效果好，能够在集群环境下，任务并行到多个计算节点，数据交换主要在作业递交和计算结果的提取两个过程，在计算求解期间，显式计算方式各节点之间数据交换的频率和数据量并不大。在我们现有的运行集群系统构架中，通常每个节点配置2 个物理CPU，每个CPU 配置2GB 内存，本地配置固态硬盘。其中CFX和Flunt是两款常用的流体计算商业软件，在工程应用过程中，这两款商业软件当前主流版本表现了优秀的并行处理性能，并且解决了之前工程设计过程某些无法通过数据仿真计算来模拟的工程应用场景，如高网格精度单通道气动性能计算，单个3000万网格精度模型，300个左右设计方案，经过一个月的计算，工程设计选出了较优的方案。

其中，ABAQUS和ANSYS是两款比较特殊的软件，它们的计算方法既支持显式计算，也支持隐式计算。我们常用的有限元软件一般都是隐式计算方法，就是解方程[K][U]=[P]。而显式计算则是使用时间积分的方法。显示积分在动力计算中几乎不存在不收敛的问题，所以在动力学及弹塑性分析中使用的较多，目前这是国内进行动力学及弹塑性分析中使用最多的两款软件。

综上所述，在工程设计过程中，选取好的数值模拟方法配合恰当的计算精度，可以起到事半功倍的效果，并最终提高工程设计效率，得到较高的工程设计质量。当然，计算精度不是越高越好，在计算过程中，计算精度的提高，伴随的是计算资源的成倍增长，前期处理人力资源的增加，且计算精度在达到一定量级后，其计算结果将不再发生改变，因此计算精度的选取，应结合设计人员的工程经验和试验校核来进行。

3　工程应用测试案例

3.1　工程应用测试案例

该测试以计算节点为单位，每节点配置20 核，测试 5 个不同的Fluent 算例，使用不同的 CPU 核数并行，分析 Fluent 算例的并行扩展性和算例规模、CPU 核数之间的关系。如表1所示。

3.2　结论

Fluent等这些主流商业计算软件，并行扩展性都较好，各进程间负载均匀，每节点内存需求不大，但内存访问带宽较大，InfiniBand流量带宽都比较大，对网络带宽和延迟性能要求较高，理论上节点数越多，计算效率越好，但不同商业软件版本，对最大并行节点数都有一定限制，随着新版本的软件更新，其支持最大并行节点数都会有一定的变化。