摘要

本應(yīng)用基于神威·太湖之光超級(jí)計(jì)算機(jī)與自研自適應(yīng)加密網(wǎng)格框架（SAMR[1]）完成了某真實(shí)汽車模型的氣動(dòng)仿真數(shù)值模擬。為提高計(jì)算精度與效率，采用了8層網(wǎng)格加密，網(wǎng)格規(guī)模約10億量級(jí)、并行規(guī)模在50萬核并行規(guī)模。流場(chǎng)數(shù)值求解器則是采用了自主研發(fā)的非定常格子玻爾茲曼流場(chǎng)求解器（LBM[2]，Lattice Boltzmann Method）與采用簡(jiǎn)單的Smagorinsky湍流模型。所計(jì)算的Ahmed標(biāo)準(zhǔn)車模阻力系數(shù)與實(shí)驗(yàn)高度吻合，具備了工程應(yīng)用能力。

一、背景

在汽車設(shè)計(jì)和改型中，數(shù)值計(jì)算和風(fēng)洞試驗(yàn)是評(píng)估氣動(dòng)性能的兩大手段。風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱骱驮囼?yàn)實(shí)施的周期長(zhǎng)，成本高，因此如何減少風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)次數(shù)，提高汽車設(shè)計(jì)效率，一直是汽車設(shè)計(jì)及空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。

數(shù)字風(fēng)洞即風(fēng)洞的數(shù)字化，是遵循數(shù)字孿生理念，通過高保真數(shù)值計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)手段，將物理風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)施和試驗(yàn)過程1:1還原到數(shù)字世界，從而具備實(shí)施高置信數(shù)字風(fēng)洞試驗(yàn)的能力。通過數(shù)字風(fēng)洞試驗(yàn)，可以取代部分早期風(fēng)洞試驗(yàn)車次和部分風(fēng)洞試驗(yàn)，從而緩解風(fēng)洞試驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)與旺盛試驗(yàn)需求之間的矛盾。

國(guó)家超級(jí)計(jì)算無錫中心神工坊團(tuán)隊(duì)，依托我國(guó)最先進(jìn)的國(guó)產(chǎn)自主超級(jí)計(jì)算機(jī)神威·太湖之光，自主研制了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格自適應(yīng)框架（SAMR[1]）與格子玻爾茲曼流場(chǎng)求解器（LBM[2],Lattice Boltzmann Method)，形成了自主數(shù)值風(fēng)洞軟硬件基礎(chǔ)框架，可以高效地為汽車氣動(dòng)仿真賦能。

二、方法

下面對(duì)40m/s(或144km/h)速度下的Ahmed標(biāo)準(zhǔn)汽車模型（25°后背角）與某實(shí)車模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

（1）網(wǎng)格生成: 采用國(guó)家超級(jí)計(jì)算無錫中心自主開發(fā)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格自適應(yīng)加密框架，可對(duì)汽車中復(fù)雜幾何表面以及流場(chǎng)變化劇烈的地方進(jìn)行自動(dòng)加密。

（2）流場(chǎng)求解器:采用國(guó)家超級(jí)計(jì)算無錫中心自主開發(fā)的基于多層加密格子玻爾茲曼方法的流場(chǎng)求解器，具有并行效率高且易于處理復(fù)雜幾何等優(yōu)點(diǎn)。

（3）湍流模型：選用Smagorinsky模型，它是一種簡(jiǎn)單的大渦模擬模型，且易于在格子玻爾茲曼方法中實(shí)現(xiàn)。

三、結(jié)果

（1）汽車模擬驗(yàn)證

1.1 網(wǎng)格規(guī)模：網(wǎng)格規(guī)模6.2億，采用了8層網(wǎng)格加密。并行規(guī)模約13萬核（含主核與從核)。注:這里采用6億網(wǎng)格主要是為了驗(yàn)證大規(guī)模計(jì)算能力，在小規(guī)模網(wǎng)格的算例中我們也得到了與實(shí)驗(yàn)基本吻合的阻力系數(shù)。

1.2 速度場(chǎng)：

圖1 Ahmed車模瞬時(shí)速度云圖。后背角為25°，來流速度40m/s。

圖1中給出了流場(chǎng)完全發(fā)展后的速度場(chǎng)瞬態(tài)云圖，可以看到車模表面進(jìn)行了更為精細(xì)的網(wǎng)格加密。

1.3 阻力系數(shù)：

圖2 Ahmed車模阻力系數(shù)隨時(shí)間的變化。后背角為25°，來流速度40m/s。

可以看到，我們的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合的很好。表1給出了我們的阻力系數(shù)與Fluent、PowerFlow等商業(yè)軟件的比較，可以看到我們的計(jì)算誤差最小。同時(shí)也可以看出，PowerFlow與我們的結(jié)果明顯好于Fluent計(jì)算結(jié)果，這也間接說明LBM方法在車模計(jì)算中是優(yōu)于FVM方法的。

表1 Ahmed車模阻力系數(shù)比較。后背角為25°，來流速度40m/s。

（2）實(shí)車仿真

2.1 網(wǎng)格規(guī)模：網(wǎng)格規(guī)模6.7億，采用了8層網(wǎng)格加密，其中汽車表面附近做了3層網(wǎng)格加密，能更好的捕捉汽車幾何特征以及汽車前后緣的大速度梯度等特征。并行規(guī)模約46.8萬核（含主核與從核）。

2.2 速度場(chǎng)：

圖3 某實(shí)車模型瞬時(shí)速度云圖。來流速度40m/s。

圖中給出了流場(chǎng)完全發(fā)展后的速度場(chǎng)瞬態(tài)云圖，可以看到車模表面進(jìn)行了更為精細(xì)的網(wǎng)格加密。

2.3阻力系數(shù)：

圖4 某實(shí)車模型阻力系數(shù)隨時(shí)間的變化。來流速度40m/s。

可以看到，流場(chǎng)完全發(fā)展后，某實(shí)車模型阻力系數(shù)約為0.258。

四、特點(diǎn)

（1）結(jié)構(gòu)網(wǎng)格自適應(yīng)：網(wǎng)格自適應(yīng)加密是本應(yīng)用的主要特點(diǎn)。通過網(wǎng)格自適應(yīng)，可以對(duì)幾何外形復(fù)雜的區(qū)域以及流場(chǎng)變化劇烈的地方著重加密。在我們的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格自適應(yīng)加密框架下，只需要讀入汽車幾何外形信息，會(huì)自動(dòng)在外形復(fù)雜以及流場(chǎng)變化劇烈區(qū)域自動(dòng)加密（如圖5自適應(yīng)網(wǎng)格效果圖），在提高計(jì)算精度的同時(shí)大大節(jié)省了人力成本。另外值得一提的是，我們生成的網(wǎng)格是分布式的，這非常適合大規(guī)模并行計(jì)算。

圖5 某車模算例中的網(wǎng)格自適應(yīng)效果圖

（2）眾核加速二級(jí)并行：本應(yīng)用的另一個(gè)特色是大規(guī)模并行效率高。為了適配國(guó)產(chǎn)神威太湖之光超級(jí)計(jì)算機(jī)，本數(shù)值求解體系從設(shè)計(jì)之初就融入了主從核異構(gòu)并行體系，在進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值求解時(shí)能充分發(fā)揮異構(gòu)計(jì)算機(jī)的主核與從核性能。例如，本次汽車模擬算例就采用了7200核組（包含7200*64=46.08萬從核）。此外通過測(cè)試，發(fā)現(xiàn)7200核組相對(duì)3600核組，算例獲得了幾乎翻倍的性能，表明當(dāng)前的算例大規(guī)模并行效率非常的優(yōu)異。

（3）求解器代碼精簡(jiǎn)：求解器代碼精簡(jiǎn)也是本應(yīng)用的主要特色。此次求解器采用的LBM流場(chǎng)求解器只涉及幾百行代碼。由于求解器是基于我們自研的SAMR框架，該框架底層封裝了異構(gòu)并行，對(duì)離散層開放了“迭代器+算子”接口，用戶只需要設(shè)計(jì)自己的求解器算子，代入對(duì)應(yīng)的迭代器（空間遍歷器）即可完成空間迭代計(jì)算。這里算子結(jié)構(gòu)往往十分精簡(jiǎn)（如圖6，復(fù)雜的空間遍歷與異構(gòu)并行都被封裝到迭代器內(nèi)部，因而基于這種模式開發(fā)的求解器代碼往往非常精簡(jiǎn)易用。）

圖6 格子玻爾茲曼流場(chǎng)求解器碰撞算子示意圖。

參考文獻(xiàn)

[1] https://mp.weixin.qq.com/s/Yb4Ez3P1LWVrk_h51oQQ3Q

[2] Krüger T, Kusumaatmaja H, Kuzmin A, et al. The lattice Boltzmann method: Principles and practice [M]. Switzerland: Springer, 2017

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[4]https://www.youtube.com/watch?v=Dzji-kG11Ys&list=PLMLR0Z92Et3wn1zk8q20ZMDsYUecZ6zLp&index=5

[5] http://cfd.mace.manchester.ac.uk/ercoftac/doku.php？id=cases:case082

十四五期間，工業(yè)數(shù)字化將是工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的主路線。“神工坊”秉持“算力賦能、協(xié)同創(chuàng)新”的理念，爭(zhēng)做“先進(jìn)算力到仿真算能的轉(zhuǎn)換器”、“離散機(jī)理和垂直仿真場(chǎng)景的連接器”，助力我國(guó)工程仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展，支撐重大裝備研制創(chuàng)新和工業(yè)設(shè)計(jì)研發(fā)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。