High performance scientific computing in applications with direct finite element simulation

Abstract

La predicción del flujo separado, incluida la pérdida de un avión completo mediantela dinámica de fluidos computacional (CFD) se considera uno de los grandes desaf¿¿os que seresolverán en 2030, según NASA. Las ecuaciones no lineales de Navier-Stokes proporcionan laformulación matemática para flujo de fluidos en espacios tridimensionales. Sin embargo, todaviafaltan soluciones clásicas, existencia y singularidad. Ya que el cálculo de la fuerza bruta esintratable para realizar simulación predictiva para un avión completo, uno puede usar la simulaciónnumérica directa (DNS); sin embargo, prohibitivamente caro ya que necesita resolver laturbulencia a escala de magnitud Re power (9/4). Considerando otros métodos como el estad¿¿sticopromedio Reynolds¿s Average Navier Stokes (RANS), spatial average Large Eddy Simulation(LES), y Hybrid Detached Eddy Simulation (DES), que requieren menos cantidad de grados delibertad. Todos estos métodos deben ajustarse a los problemas de referencia y, además, cerca las paredes, la malla tieneque ser muy fina para resolver las capas l¿¿mite (lo cual significa que el costo computacional es muycostoso). Por encima de todo, los resultados son sensibles a, por ejemplo, parámetros expl¿¿citos enel método, la malla, etc.Como una solución al desaf¿¿o, aqu¿¿ presentamos la adaptación Metodolog¿¿a de solución directa deFEM (DFS) con resolución numérica disparo, como una familia predictiva, libre de parámetros demétodos para flujo turbulento. Resolvimos el modelo de avión JAXA Standard Model (JSM) ennúmero realista de Reynolds, presentado como parte del High Lift Taller de predicción 3.Predijimos un aumento de Cl dentro de un error de 5 % vs experimento, arrastre Cd dentro de 10 %error y detenga 1 ¿ dentro del ángulo de ataque.El taller identificó un probable experimento error depedido 10 % para los resultados de arrastre. La simulación es 10 veces más rápido y más barato encomparación con CFD tradicional o existente enfoques. La eficiencia proviene principalmente dell¿¿mite de deslizamiento condición que permite mallas gruesas cerca de las paredes, orientada aobjetivos control de error adaptativo que refina la malla solo donde es necesario y grandes pasos detiempo utilizando un método de iteración de punto fijo tipo Schur, sin comprometer la precisión delos resultados de la simulación.También presentamos una generalización de DFS a densidad variable y validado contra el problemade referencia MARIN bien establecido. los Los resultados muestran un buen acuerdo con losresultados experimentales en forma de sensores de presión. Más tarde, usamos esta metodolog¿¿apara resolver dos aplicaciones en problemas de flujo multifásico. Uno tiene que ver con un flashtanque de almacenamiento de agua de lluvia (consorcio de agua de Bilbao), y el segundo es sobre eldiseño de una boquilla para impresión 3D. En el agua de lluvia tanque de almacenamiento,predijimos que la altura del agua en el tanque tiene un influencia significativa sobre cómo secomporta el flujo aguas abajo de la puerta del tanque (válvula). Para la impresión 3D,desarrollamos un diseño eficiente con El flujo de chorro enfocado para evitar la oxidación y elcalentamiento en la punta del boquilla durante un proceso de fusión.Finalmente, presentamos aqu¿¿ el paralelismo en múltiples GPU y el incrustado sistema dearquitectura Kalray. Casi todas las supercomputadoras de hoy tienen arquitecturas heterogéneas,1 See the UNESCO Internacional Standard nomenclature for fields of Science and Technologyacomo CPU+GPU u otros aceleradores, y, por lo tanto, es esencial desarrollar marcoscomputacionales para aprovecha de ellos. Como lo hemos visto antes, se comienza a desarrollar eseCFD más tarde en la década de 1060 cuando podemos tener poder computacional, por lo tanto, Esesencial utilizar y probar estos aceleradores para los cálculos de CFD. Las GPU tienen unaarquitectura diferente en comparación con las CPU tradicionales. Técnicamente, la GPU tienemuchos núcleos en comparación con las CPU que hacen de la GPU una buena opción para elcómputo paralelo.Para múltiples GPU, desarrollamos un cálculo de plantilla, aplicado a simulación depliegues geológicos. Exploramos la computación de halo y utilizamos Secuencias CUDA paraoptimizar el tiempo de computación y comunicación. La ganancia de rendimiento resultante fue de23 % para cuatro GPU con arquitectura Fermi, y la mejora correspondiente obtenida en cuatro LasGPU Kepler fueron de 47 %.