高保真數值模擬的案例
航空發動機360度整機數值模擬——超算助力工業仿真邁向系統級高保真時代
圖5 溫度云圖
最后，圖6為高壓壓氣機第6級轉子出口處從根部到葉尖總壓比沿葉高的模擬分布，并與固定傳感器和移動探針的實驗測量值進行對比。
圖6 總壓分布對比
結論
經過上述性能與結果分析，我們認為在本次仿真應用中實現了高保真模擬，設計人員可以捕捉部件相互作用造成的復雜現象，并在設計的中后期階段對航空發動機的性能進行合理準確的預測，從而縮短發動機研發周期、降低研發成本。
在第18屆中國CAE工程分析技術年會暨第4屆中國數字仿真論壇上，本次應用斬獲2022數字仿真科技獎“卓越應用獎”。
十四五期間，工業數字化將是工業轉型升級的主路線。“神工坊”秉持“算力賦能、協同創新”的理念，爭做“先進算力到仿真算能的轉換器”、“離散機理和垂直仿真場景的連接器”，助力我國工程仿真技術實現跨越發展，支撐重大裝備研制創新和工業設計研發數字化轉型。
完成人 | 徐全勇 任虎 陳建軍等
撰稿 | 高飛
展開 技術分享︱航空發動機360度整機數值模擬——超算助力工業仿真邁向系統級高保真時代
首先是航空發動機/燃氣輪機模擬需要更復雜精細的燃燒模型，以及需要利用高性能計算資源進行超大規模并行計算的專門優化。第二個原因是當網格和并行規模非常大時，網格生成和后處理也成了一道難以逾越的屏障。目前業界在工程實際中仍傾向于使用基于RANS的低保真模擬，未能將強大的超級計算資源應用于航空發動機的真實模擬。</p><h3> 2.在先進超級計算機上，異構眾核處理器訪存帶寬受限 </h3><p class="ql-align-justify"> 從2010年開始，異構眾核處理器成了高性能計算中的主流硬件架構，例如GPU或Intel MIC。“神威·太湖之光”是另一種異構系統，組成它的SW26010芯片采用片上融合的異構眾核架構，如圖2所示，每塊芯片由四個核組組成，每個核組包含一個主核和64個從核。相比于多核架構處理器，異構眾核處理器一般訪存帶寬受限，SW26010在此方面更加顯著，并且非結構網格數據分散，因此非結構網格程序在SW26010眾核處理器上難以獲得較好的性能。
展開 美大學安裝高保真駕駛模擬器 助力自動駕駛系統研究
據外媒報道，美國德克薩斯大學奧斯汀分校（UT-Austin）安裝了一個完全集成式的高保真Cruden駕駛模擬器，以對自動駕駛系統學術研究提供協助。
德克薩斯大學奧斯汀分校的一個汽車駕駛員在環（driver-in-the-loop）模擬器上已經安裝了Cruden。奧斯汀分校的Walker機械工程系是北美最知名的研究機構之一，該系將利用Cruden AS1基于動作的系統，在其硬件在環（HIL）測試設置中添加人類駕駛員輸入，以研究自動駕駛汽車控制系統的性能。
德克薩斯大學奧斯汀分校需要一個結合了HIL和駕駛員在環（DIL）系統的汽車模擬器，即一個定制裝置，可輕松、無縫地呈現多種駕駛環境和車輛類型，并且盡可能地接近現實。
該Cruden模擬器集成了奧斯汀分校現有的dSpace Scalexio模塊化實時硬件仿真系統以及dSpace ASM車輛和交通模型。該系統可用于多智能體模擬，以評估智能車輛的交通情境，包括評估復雜的車輛動力學。
將多智能體模擬與DIL模擬結合是業界首創，可實現在主客觀場景進行車輛測試，以及研究未來移動出行項目，可以呈現真實現實場景，但是有人類在模擬器后面進行操作。
展開 案例分享｜復雜仿真應用定制——UAVSim無人機仿真APP
導讀
「神工坊」核心技術——「SimForge HSF?高性能數值模擬引擎」支持工程計算應用的快速開發、自動并行，以及多域耦合、AI求解加速，目前已實現航發整機數值模擬等多個系統級高保真數值模擬應用落地，支持10億階+、100w+核心量級的高效求解。其低代碼開發能力，可面向復雜裝備、中小企業專用仿真場景，快速開發定制仿真應用。
本文將通過“UAVSim無人機仿真APP”案例，帶您深入了解「神工坊」團隊，如何基于「SimForge HSF」，針對具體場景開發垂直應用，使產品經理也可上手操作無人機數值仿真。
一、客戶需求分析
1. 行業背景
無人機廣泛應用于軍事偵察、民用航拍、物流配送、農業植保、應急救援等諸多領域，其市場規模呈現出爆發式增長態勢。隨著應用場景的不斷拓展和深化，對無人機的性能、可靠性和安全性提出了越來越高的要求，這使得無人機的研發設計面臨著前所未有的挑戰。
2. 客戶痛點
? 精確建模與分析難度大
在空氣動力學方面，精確模擬無人機在不同飛行狀態下的氣流特性是確保飛行性能的關鍵。然而，氣流與無人機機體及旋翼之間的相互作用極為復雜，受到飛行姿態、速度、環境風等多種因素的影響，準確建模和分析難度極大。
? 實物試驗成本高、代價大
在研發流程中，傳統的設計方法主要依賴實物試驗和經驗積累。但實物試驗成本高昂且耗時費力。
? 經驗設計研發周期長
經驗設計在面對新型無人機的創新設計需求時，缺乏科學依據和理論支持，難以快速準確地確定最優設計方案，導致研發周期延長。
二、解決方案設計
1.
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技術分享︱基于SAMR網格自適應與AI智能求解技術的高保真流場模擬
整體測試結果表明，HSF-SAMR在超大規模并行場景下仍能保持高效計算能力，為高保真復雜流場模擬提供了有力支撐。</span></p><p><br></p><p> 將HSF-SAMR 應用于“風神NF3”，NF-3風洞網格加密層級7，總網格數達到30.3億。在翼型吹風測試中，實現了對測試對象的網格自適應，以及全風洞流場的模擬。
“神工坊”——高性能計算技術賦能，助力自主工程仿真跨越發展！
“神工坊”高性能仿真應用研發服務
面對時代賦予的機遇和挑戰，國家超級計算無錫中心“神工坊”團隊，秉持“算力賦能、協同創新”的理念，提供高性能仿真應用研發服務，基于客戶需求，以商業軟件、開源軟件及自研軟件為基礎，針對客戶實際工作場景，開發定制化高性能仿真應用，賦予其高保真仿真能力的同時，具備友好的用戶使用體驗。
仿真的本質是物理建模與模擬計算，其底層主要的數學方法是控制方程數值離散和求解。基于國產超級計算機，“神工坊”團隊開發了一系列數值計算方法庫，以超大規模非結構代數求解庫UNAP（點擊了解詳情）為代表。
代數求解庫UNAP的組織架構
UNAP根據國產超算異構處理器異構特點，開發了計算/通信混合的迭代算法，根據異構眾核處理器浮點計算性能高而帶寬受限的特點，通過增加計算比例來降低全局集合通信代價的計算方法；集成了高可擴展矩陣預處理方法，結合異構眾核處理器多級并行的特點和稀疏矩陣迭代解法的需求，初步探索了各種預處理方法在眾核異構平臺上的并行實現技術。目前UNAP已經在神威·太湖之光上實現了對美國國家實驗室Hypre、PETSc等代數求解庫的國產替代。
這些自主可控的中間件構成了支撐工業高保真數值模擬的底層支撐，并可以自動實現高保真數值模擬工業應用在“神威·太湖之光”超級計算機上的適配。
該技術與傳統手動適配和并行優化技術相比，實現了并行優化和架構適配的自動化，大幅降低研發的難度，縮短研發周期，大大提高工業仿真應用的高性能改造研發的效率和質量，實現自主可控高性能仿真應用的快速開發和高效實現。
展開 喜報｜神工坊榮獲“智匯姑蘇”創新創業大賽城市邀請賽二等獎！
“神工坊”源自國家超級計算無錫中心，是一家以高性能計算等先進計算技術推動新一代CAE技術革新的公司。經過多年的不懈努力和持續發展，組建了一支來自清華大學、西北工業大學、中航工業等頂尖院校和企業的博士、碩士、工程師組成的“HPC+CAE”交叉研發團隊。
核心技術為歷時8年、投入數千萬元、在先進超級計算平臺上研發的，面向工程仿真的高性能計算技術——高性能數值模擬框架。基于該框架，實現了航空發動機整機數值模擬等多個系統級高保真數值模擬應用，并行規模達到100萬核心，分辨率達到10億網格級別，填補了市場空白。同時該框架具有低代碼開發能力，可以面向復雜裝備、中小企業專用場景快速開發定制仿真應用。
現場，神工坊項目吸引了不少投資人的關注，投資人就項目的商業模式、核心技術，與任虎先生進行了深入交流。最終， 經過激烈的路演答辯以及項目角逐，神工坊 榮獲二等獎 。
“智匯姑蘇”創新創業大賽城市邀請賽
據悉，近年來，蘇州姑蘇區深入推進“產城人”融合發展，立足自身資源稟賦，持續打造人才、項目、產業、資本集聚平臺。 “智匯姑蘇”創新創業大賽城市邀請賽作為特色賽事，已舉辦超過十屆。
第十一屆“智慧姑蘇”創新創業大賽城市邀請賽以“智匯姑蘇·創贏未來”為主題，堅持“中心+”“文化+”“數字+”，聚焦“1+2”產業體系，通過路演競賽、企業參觀等形式，吸引人才和投資，打造近悅遠來的“人才友好型城市”，助力追夢青年在姑蘇古城成就未來、共赴精彩。
本次獲獎的背后，是神工坊團隊持續投入研發、積累市場經驗，逐步完善自身技術體系，以及全力推進產業化的決心和行動。這份榮譽不僅是對團隊過往努力的肯定，也是對未來發展潛力的有力證明。
展開 “神工坊”團隊榮獲2022年度中國電工技術學會科學技術獎一等獎
“電機先進分析設計方法、仿真平臺開發及應用”項目由哈爾濱工業大學牽頭，“神工坊”團隊深度參與，針對電機優化平臺計算和服務需求，通過研發國產超級計算機“神威·太湖之光”工程計算共性支撐技術，對國產超算上自主高性能計算支撐環境進行了完善升級。例如，神工坊團隊開發的非結構加速套件UNAT（點擊了解詳情）能夠克服國產超算“編程墻”，大幅提升復雜電機系統研發效率。
最終，本項目通過產學研合作、優勢互補、協同攻關和自主創新，在電機的先進分析設計方法、關鍵技術及應用方面取得了多項重大突破，研發了國際首個基于超級計算機的電機優化設計仿真平臺，實現電機電磁-熱、熱-應力等物理場強耦合分析，開發100多種通用和專用電機優化設計仿真APP。相關技術在大型發電設備、新能源汽車、綠色家電、工業伺服等行業取得廣泛應用，創造了顯著的經濟效益和社會效益。
不僅是電機優化設計仿真，隨著工業4.0的到來，仿真成為工業數字化的重要引擎。為了推進工業基礎設施國產化，助力制造業高質量發展，國家超級計算無錫中心基于超級計算機的強大算力，推出“神工坊”高性能工業仿真平臺（點擊查看詳情）。
“神工坊”高性能仿真平臺
“神工坊”高性能仿真平臺由國家超級計算無錫中心孵化，是專為工業制造領域提供高性能工業仿真和仿真軟件開發服務的在線平臺。平臺具備豐富的仿真軟件以及海量高性能硬件資源，支持在線前處理-求解-后處理仿真全流程作業，
為企業提供大規模并行的高保真工業仿真服務
。
同時，基于平臺系統級高保真數值模擬框架和多級開放的高性能仿真計算基礎設施，能夠滿足用戶快速物理建模、仿真軟件架構體系優化和仿真軟件快速眾核加速等多層次需求，助力國產仿真軟件的推廣和替代，健全國產工業仿真軟件生態。
展開 行業重磅！EDA巨頭Synopsys將以350億美元收購工業軟件大廠Ansys！
無論如何，此次收購整合充分證明“系統級高保真”是設計仿真領域的下一個技術里程碑。神工坊作為HPC+CAE的倡導者，堅定不移地以計算賦能推動工業仿真技術跨越式發展，神工坊專注構建原生系統級高保真數值模擬框架，支持多尺度、多物理、多部件系統的耦合仿真，加速實現下一個技術里程碑的到來，為工業領域的發展注入創新活力。
中國網對話神工坊創始人任虎： 先進計算技術賦能，領跑自主CAE新時代
站在時代發展的潮頭，神工坊始終秉持“仿真驅動創新，計算引領未來”的理念，以實際行動推動國產自主工程仿真計算生態可持續、高質量發展。
據了解，神工坊源自國家超級計算無錫中心（始于2016年），是一家以高性能計算等先進計算技術推動新一代CAE技術革新的公司。神工坊擁有國內頂尖的HPC+CAE交叉團隊，超15名力學、數學、計算機專業的碩士、博士擔任技術骨干，他們深厚的專業知識和豐富的實踐經驗，是神工坊保持技術領先的力量之源。
神工坊技術團隊
“神工坊團隊成立8年以來，取得了矚目的成就。我們開發了基于超級計算機的高性能數值模擬框架。依托該框架，我們實現了航空發動機整機數值模擬等多個系統級高保真數值模擬應用，并行規模達到100萬核心，分辨率達到10億網格級別，填補了市場空白。”談及團隊的核心競爭力，任虎強調神工坊技術研發團隊緊跟時代發展的步伐，基于高性能數值模擬框架，不僅能夠實現更大規模、更快速度的垂直應用研發，并且能夠自動獲得高性能計算和AI加速能力。通過神工坊高性能仿真平臺，我們可以幫助自研仿真應用面向全行業進行在線推廣。
采訪中，任虎進一步向記者闡述了神工坊未來五年的發展藍圖。他表示“目前，我們已具備了扎實的技術積累，但產品仍需進一步精細化打磨，尤其是針對高端和長尾的市場需求。在接下來的兩年內，我們計劃對產品進行深度完善，以適應更廣泛的應用場景。未來5年，我們將穩扎穩打，一步一個腳印，以先進計算技術為核心，構建下一代CAE平臺，為工業軟件的發展注入澎湃動力。”
展開 高性能C++數值模擬前后處理集成一體化解決方案
<p>個人歷時多年，面向結構力學等多物理耦合場的仿真工作流，涵蓋建模、網格、材料、邊界條件、求解器耦合、前處理、后處理、工作流自動化、以及性能與擴展性方面的考慮，發布一個前后處理可視化框架。</p><p><br></p><figure style="text-align: center;" class="ql-align-center"><figure class="figure-image" contenteditable="false" data-img="https://img.jishulink.com/202510/attachment/dcd44da6110649debf085362494dc195.png" style="display: inline-block;" data-regular="true"><img src="https://img.jishulink.com/202510/attachment/dcd44da6110649debf085362494dc195.png" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/202510/attachment/dcd44da6110649debf085362494dc195.png?image_process=/format,webp/quality,q_40" data-pc-src="https://img.jishulink.com/202510/attachment/dcd44da6110649debf085362494dc195.png?image_process=/format,webp/quality,q_40" data-initial-src="https://img.jishulink.com/202510/attachment/dcd44da6110649debf085362494dc195
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“神工坊”高性能仿真平臺應邀出席第18屆中國CAE工程分析技術年會并獲獎！
“神工坊”作為高性能仿真平臺的代表應邀出席大會，“神工坊”副總工高飛先生以《國產神威超算上的高性能中間件研究進展》為主題，在仿真與數字孿生技術論壇/工業超算專題論壇作了精彩報告，并與行業專家深刻探討了數字化時代高性能仿真如何在中小型企業中實現應用以及高性能仿真的未來發展方向。
會場開幕式
仿真與數字孿生技術論壇/工業超算專題論壇分會場：
高飛先生在報告中指出，在高端裝備研發過程中，不論是單部件單學科高保真仿真，或是多部件多學科聯合仿真，都亟需更大規模網格和更大并行計算規模。“神威·太湖之光”是我國第一臺全部采用國產處理器構建的，連續四次問鼎世界超級計算機排名榜單TOP500的超級計算機，能夠為裝備多學科系統級高保真數值模擬提供算力支撐。然而需求側多學科高保真算法模型愈加精細復雜，供給側超級計算機呈現多樣的異構眾核架構，這自然導致了超級計算機和仿真應用之間形成一道“編程墻”。基于國產超級計算機研發高性能仿真中間件，將有效破除這道“編程墻”，從而充分利用國產超級計算機的豐富資源，為重大裝備的仿真提供強大算力。
展開 數字風洞：助力工業數字化轉型走深向實
數字風洞通過以物理風洞為藍本構建1:1的孿生數字模型，全面采用高保真數值模擬、基于物理試驗數據和高置信度數值數據的機器學習湍流模型以及依靠超級計算機的算力支撐，提升數字風洞與物理風洞的一致性，從而達到將物理風洞試驗搬到數字世界的目的，以形成成本、技術、業務流量優勢，滿足市場需求缺口、發掘潛在需求，促進工業技術數字化轉型升級。
面對錯綜復雜的仿真問題，神工坊提供高性能仿真云服務和仿真軟件并行架構升級服務。
? 高性能仿真云服務
用戶通過web即可享受“PC式高性能體驗”，使用超算硬件資源和海量軟件資源開展工業仿真工作，高效快速地進行產品創新和技術研究。在云端實現前處理-求解-后處理全流程作業，以及企業組織管理和研發協同。
? 仿真軟件并行架構升級服務
基于自研仿真定制框架和高性能計算技術，針對用戶在復雜產品設計、復雜環境評估等場景特定仿真需求，定制高度易用、高效求解、精確可靠的仿真APP，為通用工具無法解決或解決不好的問題提供解決方案。
展開 高性能格子多相流仿真軟件LMFD2. 0發布，實現集“求解器-前/后處理”于一體的大規模數值模擬
軟件案例界面
結語
LMFD2.0的發布為多相流數值模擬技術帶來了顯著的進步。憑借其強大的功能和用戶友好的設計，LMFD2.0將為科研人員和工程師提供更加高效和便捷的模擬工具，助力多相流研究和工程應用的深入發展。
技術分享︱基于非結構網格的仿真——太湖之光上的巨大挑戰
由于性能提升，該軟件可使用10億級網格，在合理的時間內，進行航空發動機全環燃燒室高保真數值模擬。
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燃燒仿真應用優化加速
參考文獻：
[1] Vincent, P., Witherden, F., Vermeire, B., Park, J. S., & Iyer, A. (2016). Towards Green Aviation with Python at Petascale. SC16: International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis. doi:10.1109/sc.2016.1
[2] Liu, H. , et al. "UNAT: UNstructured Acceleration Toolkit on SW26010 many-core processor." Engineering Computations: Int J for Computer-Aided Engineering (2020).
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