水動力通用仿真軟件的案例
【CAE案例】基于二維水動力仿真的大陸架建模
07 小結(jié)
本文主要講述了IMDC的工程師利用二維水動力通用仿真軟件建立二維水動力模型，對比利時(shí)海岸帶的水位和流速進(jìn)行了模擬計(jì)算，并與TOPEX的實(shí)測數(shù)據(jù)與Xaver氣旋期間Oostende和de Wandelaar站點(diǎn)的實(shí)際測量結(jié)果進(jìn)行了對比。
IMDC的研究表明，使用二維水動力通用仿真軟件建立的大陸架模型，不僅可以很好地模擬常況下由潮汐波引起水位變化，更能夠很好地預(yù)測極端氣候條件下海岸帶的水位變化情況，具有相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。
文章來源：遠(yuǎn)算云仿真
【CAE案例】基于二維水動力仿真的大陸架建模
圖4 Xaver氣旋期間Oostende（上圖）和de Wandelaar（下圖）模型計(jì)算的水位與實(shí)測數(shù)據(jù)對比
（藍(lán)色為模型計(jì)算結(jié)果，橙色為站點(diǎn)實(shí)測水位）
從上圖可以看出，二維水動力仿真模型的計(jì)算結(jié)果是可靠的：模型很好地預(yù)測了12月5日的水位峰值，模擬結(jié)果與實(shí)際觀測水位僅相差0.1米；且在整個(gè)建模周期內(nèi)，計(jì)算水位的平均偏差誤差為0.02m，均方根誤差為0.37m。
06 研究結(jié)論
IMDC的工程師為了預(yù)測比利時(shí)海岸的水位和流速，建立了包含西大西洋、愛爾蘭海、波羅的海和北海的大陸架模型。通過模型計(jì)算結(jié)果與TOPEX數(shù)據(jù)的對比，對潮汐數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證：在北海和西大西洋的結(jié)果基本一致。
此外，工程師對2013年12月的熱帶氣旋Xaver進(jìn)行了反演分析，發(fā)現(xiàn)模型對比利時(shí)海岸帶的水位峰值預(yù)測非常準(zhǔn)確，且在氣旋期間，水位的偏差和均方根誤差僅分別為0.02米和0.27米。
07 小結(jié)
本文主要講述了IMDC的工程師利用二維水動力通用仿真軟件建立二維水動力模型，對比利時(shí)海岸帶的水位和流速進(jìn)行了模擬計(jì)算，并與TOPEX的實(shí)測數(shù)據(jù)與Xaver氣旋期間Oostende和de Wandelaar站點(diǎn)的實(shí)際測量結(jié)果進(jìn)行了對比。
IMDC的研究表明，使用二維水動力通用仿真軟件建立的大陸架模型，不僅可以很好地模擬常況下由潮汐波引起水位變化，更能夠很好地預(yù)測極端氣候條件下海岸帶的水位變化情況，具有相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。
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展開 【CAE案例】艾克（Ike）颶風(fēng)對德克薩斯海岸影響的仿真模擬
通過使用水動力通用仿真軟件可以有效地建立模型并計(jì)算，與各觀測點(diǎn)的記錄數(shù)據(jù)對比后結(jié)果均顯示出良好的一致性，證明了軟件的可靠性。
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【CAE案例】復(fù)雜入海口水動力仿真
通過這項(xiàng)研究和其他建模項(xiàng)目，威爾士的有關(guān)當(dāng)局現(xiàn)在已意識到仿真在幫助海岸管理方面的潛力。
07 總結(jié)
入海口的仿真具有重要意義，入海口周邊通常是一些需要保護(hù)的生態(tài)系統(tǒng)，或有大量的人類在該地區(qū)進(jìn)行休閑和旅游活動。這項(xiàng)研究表明，二維水動力仿真是一個(gè)適合入海口研究的水動力仿真模塊，其具備良好的處理淺水問題和漫灘的能力。
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【CAE案例】復(fù)雜入海口水動力仿真
通過這項(xiàng)研究和其他建模項(xiàng)目，威爾士的有關(guān)當(dāng)局現(xiàn)在已意識到仿真在幫助海岸管理方面的潛力。
07 總結(jié)
入海口的仿真具有重要意義，入海口周邊通常是一些需要保護(hù)的生態(tài)系統(tǒng)，或有大量的人類在該地區(qū)進(jìn)行休閑和旅游活動。這項(xiàng)研究表明，二維水動力仿真是一個(gè)適合入海口研究的水動力仿真模塊，其具備良好的處理淺水問題和漫灘的能力。
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【CAE案例】水動力仿真軟件在洪澇預(yù)測上的服務(wù)開發(fā)
由歐洲航天局
(ESA) 在綜合應(yīng)用促進(jìn)
(IAP) 計(jì)劃框架內(nèi)資助的中型高山集水區(qū)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施保護(hù)增強(qiáng)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)項(xiàng)目
(Enhanced Flood Forecasting System for Critical Infrastructure Protection in Medium Size Alpine Catchments, EFFORS) 通過利用實(shí)時(shí)測量、觀測和數(shù)值模型來提高預(yù)報(bào)質(zhì)量。該項(xiàng)目涵蓋了衛(wèi)星通信、地理信息系統(tǒng)、氣象學(xué)、水文學(xué)、計(jì)算工程和水力學(xué)。
EFFORS系統(tǒng)包含氣象、水文和水力等模塊，可對強(qiáng)降水、泄洪和洪水淹沒地區(qū)進(jìn)行 24 小時(shí)預(yù)報(bào)。EFFORS系統(tǒng)的核心是一個(gè)shell程序，結(jié)果每小時(shí)更新一次，系統(tǒng)接近實(shí)時(shí)運(yùn)行。由于計(jì)算成本高，尤其是水力部分，EFFORS在服務(wù)提供商ZAMG（奧地利中央氣象和地球動力學(xué)研究所）的高性能計(jì)算機(jī)群 (HPC) 上運(yùn)行，結(jié)果顯示在交互式 Web應(yīng)用程序中。
為節(jié)省計(jì)算資源，水力計(jì)算僅在預(yù)測流量超過某個(gè)閾值時(shí)運(yùn)行。利用TELEMAC-2D模塊，將干流中的排放以及側(cè)向支流的排放作為液體邊界，計(jì)算關(guān)注區(qū)域的速度和水深。
展開 水動力仿真軟件：國產(chǎn)可控，助力水利行業(yè)“四預(yù)”工程
當(dāng)前，水動力相關(guān)的研究與工程應(yīng)用愈發(fā)依賴先進(jìn)的技術(shù)手段。積鼎水動力仿真軟件，作為一款國產(chǎn)自主可控的專業(yè)且強(qiáng)大的數(shù)值模擬仿真工具，已在眾多領(lǐng)域嶄露頭角。在水利和水務(wù)行業(yè)，積鼎水動力仿真軟件不僅可為水利工程設(shè)計(jì)、防洪減災(zāi)、水資源管理等領(lǐng)域提供的技術(shù)支持，更為水務(wù)行業(yè)的精細(xì)化管理帶來高效的解決方案。
積鼎水動力仿真軟件：助力水利水務(wù)行業(yè)設(shè)計(jì)及運(yùn)維
1、高效預(yù)測，防患于未然
洪水、潰壩、泥石流等自然災(zāi)害是水利行業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)之一。積鼎水動力仿真軟件通過先進(jìn)的水動力模型，能夠?qū)雍樗M(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測、預(yù)警、預(yù)演和預(yù)案制定。該軟件動態(tài)模擬河流水位、流速等關(guān)鍵參數(shù)的變化，為防洪減災(zāi)提供科學(xué)決策支持。
2、全面防護(hù)，守護(hù)中小流域山洪安全
中小流域山洪災(zāi)害具有突發(fā)性強(qiáng)、破壞力大的特點(diǎn)，通過在中小流域山洪“四預(yù)”平臺中集成積鼎水動力仿真軟件，能夠全面、準(zhǔn)確地模擬和預(yù)測中小流域山洪災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展和影響，可集合“預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”于一體，為防汛減災(zāi)工作提供了精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。
3、智能管理，提升水務(wù)運(yùn)行效率
在水務(wù)行業(yè)，高效的運(yùn)行管理是保障供水安全和穩(wěn)定的關(guān)鍵。積鼎水動力仿真軟件水務(wù)為企業(yè)的精細(xì)化管理提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。通過高精度的三維水動力模型軟件，實(shí)現(xiàn)了水務(wù)設(shè)施設(shè)備的三維可視化，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，從而優(yōu)化工藝流程，提高運(yùn)行效率。
4.深度治理，優(yōu)化水環(huán)境質(zhì)量
水環(huán)境質(zhì)量的改善是水利與水務(wù)工作的另一個(gè)重要目標(biāo)。基于積鼎水動力仿真軟件搭建的水環(huán)境治理平臺集成了高效的水質(zhì)模型，能夠?qū)崟r(shí)捕捉水質(zhì)變化動態(tài)，精確描繪污染物在水體中的遷移轉(zhuǎn)化路徑。不僅深度剖析水環(huán)境現(xiàn)狀，還前瞻性地預(yù)測水質(zhì)發(fā)展趨勢，為治理決策提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。
展開 【CAE案例】利用三維水動力仿真優(yōu)化小型水電廠進(jìn)水渠道
若水電站的入口通道與主流方向之間的方向急劇變化，小型水電站的入口渠道的來流不均勻，就可能會影響發(fā)電效率，甚至因?yàn)樗髡鹗幎饻u輪機(jī)損壞。因此需要一個(gè)可靠的數(shù)值模型來研究寬大河流與較小進(jìn)水口渠道之間的相互作用。
02 案例展示
ARTELIA的工程師通過三維水動力仿真對Rh?ne河的兩個(gè)新增的小型水電站的進(jìn)水口渠道的尺寸和形狀進(jìn)行了初步評估，通過ADCP數(shù)據(jù)和水位實(shí)測數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)后，對模型的設(shè)置參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，并利用該模型篩選渠道的最佳構(gòu)型，對這兩個(gè)小型水電站的進(jìn)水口渠道的尺寸和形狀進(jìn)行了優(yōu)化。
03 模型搭建
模型主要研究Rh?ne河上的Donzère和Caderousse小型水電站的進(jìn)水口渠道（寬度約為10m）以及渠道入口外延伸出去的主河道（寬度約為200米），因此這個(gè)模型可以充分考慮和模擬河道上游來流情況。網(wǎng)格總共有140000個(gè)節(jié)點(diǎn)，Rh?ne河主河道內(nèi)網(wǎng)格密度約為5~10米，在小型水電站的進(jìn)水口渠道入口附近加密至1~2米，進(jìn)水口渠道內(nèi)加密至0.2米。
圖1 Donzère和Caderousse小型水電站建造前Kh?ne河道地形
模型在Kh?ne河上游、現(xiàn)有水利工程入口以及小型水電站進(jìn)水口渠道末端施加恒定流量邊界；在Kh?ne河主干道下游施加恒定水位邊界條件。為了盡量減少數(shù)值擴(kuò)散，并且與通用水動力仿真軟件中的潮灘設(shè)置兼容，ARTELIA的工程師使用LIPS對流格式來求解k-ε湍流模型。
04 模型驗(yàn)證
A. 水位驗(yàn)證
在中等流量工況下，河段的水位線很平坦，因此模型驗(yàn)證的信息量不大。在大流量工況下，通過將摩擦系數(shù)設(shè)置為0.01m，Caderousse案例的實(shí)測水位線與模擬計(jì)算水位線吻合度高。
B.
展開 【仿真課堂】遠(yuǎn)算科技國產(chǎn)水動力軟件走進(jìn)浙江海洋大學(xué)高校課堂
為了加深高校學(xué)生對有限元數(shù)值仿真的了解，蓄力國產(chǎn)工業(yè)仿真軟件持續(xù)創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步，6月3日及10日，遠(yuǎn)算科技走進(jìn)浙江海洋大學(xué)，為海洋工程裝備學(xué)院港口航道與海岸工程專業(yè)近百名高校學(xué)子開展水動力仿真學(xué)習(xí)課程，并通過遠(yuǎn)算格物云CAE的國產(chǎn)水動力軟件，帶領(lǐng)同學(xué)們進(jìn)行了仿真實(shí)踐練習(xí)。
在課上，首先為同學(xué)們介紹了當(dāng)前國產(chǎn)工業(yè)軟件面臨的高度依賴國外產(chǎn)品、技術(shù)人才緊缺、使用門檻較高的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了遠(yuǎn)算科技在工業(yè)軟件方面提出的國產(chǎn)化、場景化和云端化發(fā)展新思路，并展示了基于自身先進(jìn)高性能云計(jì)算技術(shù)，深度融合數(shù)值仿真技術(shù)，專為仿真工程師“量身定制”的國產(chǎn)可控云端仿真平臺——格物云CAE。
遠(yuǎn)算科技的資深工程師們也為同學(xué)們講授了一維水動力、二維水動力及潮汐原理等理論知識，并帶領(lǐng)同學(xué)們在格物云CAE仿真平臺上進(jìn)行實(shí)際上機(jī)操作練習(xí)，加深數(shù)值仿真的理解與應(yīng)用。
未來，遠(yuǎn)算科技也將進(jìn)一步加強(qiáng)高校交流與合作，促進(jìn)高校科技成果轉(zhuǎn)化，并將持續(xù)提升企業(yè)自身科技創(chuàng)新能力，期待共同推動國產(chǎn)工業(yè)軟件的研發(fā)與應(yīng)用。同時(shí)也誠邀高校學(xué)子參加遠(yuǎn)算工業(yè)仿真實(shí)習(xí)，融合知識理論，獲取最新行業(yè)實(shí)踐，歡迎感興趣的同學(xué)積極報(bào)名！簡歷投遞郵箱：joinus@yuansuan.cn。
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展開 【CAE案例】城市開放水域大腸桿菌的傳播研究
圖7：河道水面和底部的大腸桿菌分布
04 研究結(jié)論
本研究為La Villette地區(qū)(法國巴黎)的開放水域建立了一個(gè)結(jié)合模型的水質(zhì)檢測系統(tǒng)，旨在通過三維水動力仿真耦合WAQTEL模塊建立模型并預(yù)測沐浴區(qū)大腸桿菌數(shù)量是否超過規(guī)定閾值。第一個(gè)模擬時(shí)期（2021年9月12日至22日）包括一場大雨。該模型能夠充分模擬大腸桿菌數(shù)量隨時(shí)間的演化：雨后濃度增加，5天后濃度下降。17日至21日，大腸桿菌數(shù)量超過了規(guī)定閾值，沐浴區(qū)必須關(guān)閉。但是，根據(jù)模型結(jié)果得到的關(guān)閉時(shí)間應(yīng)該比實(shí)際關(guān)閉時(shí)間（9月18日）早兩天（9月16日）。第二次模擬是在熱浪期間進(jìn)行的（2022年7月13-23日）。結(jié)合模型可以觀察到大腸桿菌的分布具有橫向異質(zhì)性。利用上游的TLF連續(xù)檢測并結(jié)合水動力模型，我們可以預(yù)測下游沐浴區(qū)水質(zhì)情況，這一舉措將為沐浴區(qū)關(guān)閉/開放的決定提供支持。
05 小結(jié)
三維水動力仿真耦合WAQTEL模塊在水質(zhì)預(yù)測方面能提供較準(zhǔn)確的結(jié)果，且支持添加天氣因素，能夠?qū)崿F(xiàn)非常實(shí)際具體的模擬。其中WAQTEL中的熱交換模塊可以為河道內(nèi)的水溫變化提供良好的支持。利用三維水動力仿真，我們可以得到同一測量點(diǎn)不同深度的水溫。這有利于研究不同深度的水質(zhì)及水溫情況，例如預(yù)測不同深度河道內(nèi)的微生物活性以及水柱分層及混合現(xiàn)象。模擬的耗時(shí)也比實(shí)驗(yàn)室分析短很多，因此可以快速且實(shí)時(shí)地提供水質(zhì)數(shù)據(jù)。
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展開 通用流體仿真軟件VirtualFlow 2023：高效易用的多相流仿真平臺（免費(fèi)試用）
<p>在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中，流體仿真在眾多領(lǐng)域扮演著重要角色。CFD軟件的使用可以幫助企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與改進(jìn)中，減少試驗(yàn)次數(shù)、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用、降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、提升設(shè)計(jì)效率。打造一款好用、易用的國產(chǎn)流體仿真軟件一直是積鼎科技秉承的使命。</p><p> 經(jīng)過多年的打磨，由積鼎科技自主研發(fā)的一款通用計(jì)算流體動力學(xué)仿真軟件VirtualFlow，已在國內(nèi)各個(gè)行業(yè)被廣泛應(yīng)用。VirtualFlow具備行業(yè)領(lǐng)先的網(wǎng)格建模與求解技術(shù)，可以模擬單相和多相/多組分物質(zhì)流動、傳熱、界面追蹤、粒子追蹤、相變、水合物反應(yīng)等復(fù)雜問題，幫助核電、石油、化工、過程工藝、水利水務(wù)、環(huán)境市政、航空航天、汽車、電器等行業(yè)用戶實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能的優(yōu)化和設(shè)計(jì)改進(jìn)。</p><p> <img src="https://img.jishulink.com/202401/imgs/3b5acb632f294bcea6196fb678abb044.png"></p><p>與其他國產(chǎn)CFD軟件相比，VirtualFlow 2023在前處理、求解、后處理等方面都具備顯著優(yōu)勢，具有操作便捷、高效穩(wěn)定等特點(diǎn)。</p><p><strong>前處理：快速網(wǎng)格劃分，高效便捷，易操作</strong></p><p>? IST網(wǎng)格技術(shù)：采用浸入表面網(wǎng)格技術(shù)（IST，Immersed Surfaces Technique），將幾何物面浸入網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)，求解器自動識別計(jì)算域物面邊界，簡化邊界處理。</p><p>? 笛卡爾網(wǎng)格：固定的四邊形或六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格生成過程簡單，速度快，網(wǎng)格質(zhì)量高。</p><p>? 自定義網(wǎng)格加密：支持自適應(yīng)區(qū)域加密、邊加密，以及網(wǎng)格塊加密（BMR）。
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Fluent實(shí)用案例 | Suboff直航水動力仿真
本案例利用Fluent以美國國防高等研究計(jì)劃 署 (DARPA) 的標(biāo)準(zhǔn) SUBOFF 全附體模型 ( 無螺旋槳 )
為研究對象展開靜態(tài)水動力仿真分析，并與相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)展開對比，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果較為接近。本案例所進(jìn)行的設(shè)置十分簡單。通過此案例后續(xù)可以進(jìn)一步對各種水下航行體模型展開計(jì)算，并通過改變攻角、添加螺旋槳等方式，進(jìn)行更為復(fù)雜的水下航行體水動力仿真計(jì)算。
1 workbench 設(shè)置
本案例具體設(shè)置如下圖 ：
2 SCDM 設(shè)置
2.1 導(dǎo)入幾何
整體幾何結(jié)構(gòu)如下圖:s uboff長為L,直徑為D。外部計(jì)算域長為4L ，半徑為12D 。距離入口邊界與模型首部距離為L，出口邊界與模型尾部距離為L 。入口邊界條件設(shè)置速度入口邊界，出口邊界條件設(shè)置為壓力出口邊界， SUBOFF表面設(shè)置為無滑移壁面邊界條件，其余壁面設(shè)置為對稱壁面邊界條件 。
3 Fluent Meshing 設(shè)置
3.1 網(wǎng)格設(shè)置
采用 Fluent meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用六面體網(wǎng)格劃分，并劃分相對應(yīng)的邊界層網(wǎng)格。需要對suboff附近區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，具體網(wǎng)格劃分如下圖所示：
4 FLUENT 設(shè)置
4.1 General設(shè)置與網(wǎng)格導(dǎo)入
由于本文僅分析穩(wěn)態(tài)Suboff的水動力特性，因此僅需要進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果的討論，此處的設(shè)置比較簡單，勾選為穩(wěn)態(tài)計(jì)算。
4.2 模型設(shè)置
由于是簡單的阻力計(jì)算，因此可以選擇K-W SST湍流模型進(jìn)行仿真計(jì)算。
展開 用CFX軟件計(jì)算陷落腔水動力特性
求助：有沒有人用CFX軟件做陷落腔的計(jì)算的 其中斯托哈爾數(shù)大概是多少？希望 大家可以互相探討一下哈
【CAE案例】應(yīng)用水動力仿真建立海洋氣象區(qū)域模型
所有這些經(jīng)營建設(shè)活動，都需要使用可靠的高分辨率數(shù)據(jù)和最適用的模擬軟件作為支撐，在研究范圍內(nèi)搭建模型，對區(qū)域性的共同影響進(jìn)行模擬復(fù)現(xiàn)，全面規(guī)劃。
在這種情況下，由意大利SPERI機(jī)構(gòu)資助的智能波項(xiàng)目開發(fā)了一個(gè)先進(jìn)的建模框架，為決策者提供可靠的管理服務(wù)。目前由西西里地區(qū)資助，部分區(qū)域已投入開發(fā)，建立了包括地中海、墨西哥灣和波斯灣的海洋區(qū)域模型。這些模型使用了先進(jìn)的多用途有限元水動力模型open TELEMAC，生成網(wǎng)格的空間分辨率可選范圍極大，從整個(gè)海域數(shù)百公里的海岸邊界，到特定位置的水工建筑物，都可以精確描述海洋氣象變化。
02
案例展示
研究區(qū)域
建立了三種不同的海洋區(qū)域模型來模擬地中海、墨西哥灣和波斯灣的運(yùn)動特征。該模型使用open TELEMAC中的兩個(gè)模塊：用來模擬波浪的TOMAWAC和負(fù)責(zé)二維水動力的TELEMAC-2D，它們能夠模擬不同尺度下的各種海洋氣象過程。
網(wǎng)格
各區(qū)域網(wǎng)格的范圍設(shè)置得非常廣泛，凡可能對研究區(qū)域產(chǎn)生影響的海域均涵蓋在內(nèi)。本次研究網(wǎng)格密度設(shè)定為5km。建立的三角形網(wǎng)格具有自適應(yīng)的分辨率，會根據(jù)地形和海岸線的特征而輕微改變密度。
展開 【CAE案例】CFD通用仿真軟件在千兆級計(jì)算中的優(yōu)化
在Blue Gene/P超算上，計(jì)算1.07億網(wǎng)格規(guī)模的算例，比較不同分區(qū)軟件(ParMETIS、SFC、PT-SCOTCH和METIS)的并行分區(qū)結(jié)果下的計(jì)算效率，結(jié)果如圖4所示：
圖4 在不同分區(qū)網(wǎng)格軟件處理下的CFD通用仿真軟件并行計(jì)算性能
結(jié)果表明，METIS的分區(qū)結(jié)果在CFD通用仿真軟件下并行計(jì)算性能最優(yōu)，而性能其次的PT-SCOTCH也可作為METIS的替代軟件。
04 研究結(jié)論
具備可擴(kuò)展性、同時(shí)功能強(qiáng)大的CFD通用仿真軟件，由于在前處理、求解過程和輸入/輸出(I/O)功能上的優(yōu)化表現(xiàn)，被PRACE項(xiàng)目認(rèn)證并入選為用于檢驗(yàn)超算能力的CFD軟件。
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