性能测试︱OpenFOAM 复杂流体场景仿真——motorbike高速绕流 求解效率实测

摘要日前，2024年度上海市科学技术奖已正式揭晓，国家超级计算无锡中心神工坊®团队研发的《兼容国产异构超算的航空发动机低排放燃烧和传热并行仿真技术及软件研制》项目，荣获科技进步奖二等奖。这一奖项是对团队在高端仿真技术领域创新成果的高度认可，也彰显了国产超算在航发重大工程应用中的突破性进展。奖项概览：上海市科学技术奖上海市科学技术奖是由上海市人民政府设立的科学技术奖项，重点奖励科学发现、技术发明及促进经济社会发展的重大科技成果，设科技功臣奖、青年科技杰出贡献奖、自然科学奖等七个类别，其中自然科学奖、技术发明奖、科技进步奖均设一等奖、二等奖（特等奖需特别贡献）。根据《上海市科学技术奖励规定》（2023年沪府令8号），通过市科学技术奖评审委员会评审，市科学技术奖励委员会审定，经上海市人民政府批准，2024年度上海市科学技术奖授奖206项（人），国家超级计算无锡中心神工坊®团队名列其中。图片来源：上海发布项目介绍：兼容国产异构超算的航空发动机低排放燃烧和传热并行仿真技术及软件研制项目概述：项目基于国家超级计算无锡中心神工坊®技术团队自主研发的SimForgeHSF™高性能数值模拟引擎，构建了基于国产超算的航空发动机燃烧与传热并行仿真软件，并成功对该软件进行了高性能改造，使其网格规模和并行规模均提升超2个量级，达到10亿网格和100万核心。通过接入UNAP高可扩展代数求解库，更实现了10亿阶矩阵隐式求解，同等并行规模收敛效率提升超20倍。不同迭代步长下的瞬时温度等值线图，环形燃烧室的切片显示了温度场的明显特征项目优势：1.该软件提出了面向航空发动机燃烧室工程应用的气液两相湍流燃烧计算模拟方法及仿真全流程解决方案。流动方面：采用非结构网格和有限体积法离散，采用基于压力的求解方案，同时提供RANS和LES两类模型；燃烧方面：同时具备简单化学反应EDM和复杂化学反应FGM燃烧模型，同时支持液相连续流场和离散流场描述；流固热耦合方面：采用弱耦合方式，通过流动求解器和固体传热求解器之间进行交界面上的温度、热流等传递实现气热耦合计算；高性能计算方面：实现了基于国产神威超算的100万核心并行和10亿级网格求解，采用其中多级并行的稳定双共轭梯度算法和代数多重网格算法，实现了高效并行隐式求解。2.该软件率先实现了自主软件在真实型号上的应用。国产软件在民用涡扇航空发动机燃烧室启动热力设计场景中的测试验证与实际应用，目前实现了对火焰筒冷却、喷嘴吹扫、旋流器开孔、燃油雾化等燃烧室日常设计场景的全覆盖。3.该软件计算精度与商业软件相当。压力损失、流量分配与可靠试验数据偏差在±10%以内，出口温度分布系数RTDF的径向分布趋势与可靠试验数据一致，峰值偏差在±15%以内，出口污染物NOx排放量与试验测量结果趋势一致。4.该软件分辨率和并行规模超越商业软件。基于国产神威超算的100万核心并行和10亿级网格求解，大幅超越可用的国外商业软件。5.该软件打破商业软件功能限制。目前商业软件由于功能和并行规模限制，尚不能支持全环燃烧室非定常模拟，本软件是少有的点火、熄火和燃烧稳定性分析自主工具之一。深厚积累：神工坊®团队的航发仿真研发之路2023年，国家超级计算无锡中心研发团队参与的研究课题——《基于神威超算的超大规模高精度航空发动机气动热力学模拟》获ACM“戈登·贝尔”奖提名，证明了利用大涡模拟来解决航空发动机复杂流动的可行性，标志着我国在航发整机高精度模拟方面迈入国际先进行列。编辑跳转高压涡轮导向叶片吸力面上的温度分布，展示了冷却气体经冷却孔喷射后的冷却效果2024年，神工坊®团队进一步在航发燃烧仿真领域取得关键突破，实现了全环形航空发动机燃烧室湍流燃烧的大规模并行模拟，为观察真实火焰波动、捕捉非定常现象提供了更真实的全新视角。(a)实验环形燃烧室的CAD模型；(b)表面网格当前，《在“神威·太湖之光”超级计算机上隐式航空发动机整机的大规模并行模拟》的最新研究，则验证了在“神威·太湖之光”超级计算机上，利用完全隐式非结构化求解器，进行航空涡轮风扇发动机全三维流动和燃烧的大规模模拟的可行性，为实现全发动机的高精度数值模拟提供技术突破及理论支持。压力与温度分布的仿真结果从部件到整机、从理论方法到软件应用，这些在航发仿真领域取得的一系列突破，不仅验证了神工坊®团队在高性能并行计算与多物理场耦合等方面的技术深度，更为其技术成果向更广阔的航空航天应用场景拓展奠定了坚实基础。结语此次获奖，是国家超级计算无锡中心神工坊®团队坚持技术自主研发、服务国家重大战略的又一成果。未来，神工坊®团队将以高性能计算、人工智能、云计算等先进计算技术，持续推动新一代CAE技术革新。