Тестирование технологии параллельных вычислений гидрогазодинамического пакета ANSYS CFX 5.7

Михаил Плыкин, Николай Никулин

Что мы тестировали

На чем мы тестировали

Тестирование

Выводы

При проектировании сегодня все чаще используются технологии CAD/CAE. В условиях конкуренции производитель, быстрее других выпустивший на рынок изделие, получает весомые преимущества. Однако часто для ускорения процессов разработки необходимо провести множество различных экспериментов. Современные технологии проектирования позволяют сократить количество натурных экспериментов с помощью математического моделирования, но решение задач инженерного проектирования и математического моделирования требует довольно больших вычислительных ресурсов: расчет конструкций или получение результатов численного анализа может длиться дни, недели, а нередко и месяцы. Снижение временн ы х затрат на вычисления приводит к сокращению сроков разработки и внедрения, повышает актуальность полученных результатов и способствует экономии средств .

Снижения временн ы х затрат можно добиться как минимум двумя путями — это правильный выбор программного и аппаратного обеспечения. Так, комплекс ANSYS CFX 5.7 за счет технологии Algebraic Multigrid даже на персональном компьютере позволяет решать весьма объемные задачи в приемлемые сроки. Полностью связанный решатель Coupled Solver одновременно решает уравнения для скоростей и давления, обеспечивая б о льшую устойчивость решения и более быструю сходимость. Все это ведет к сокращению сроков окупаемости проектов.

Исследования и совместные тестирования с ведущими компаниями рынка ПО позволяют определить оптимальную архитектуру для решения конкретных задач, а также разработать самую эффективную конфигурацию. ЗАО «ЕМТ Р» (www.emt.ru), авторизованный дистрибьютор, инженерно-консалтинговый и учебный центр ANSYS, вместе с компанией Inline Group (www.inlinegroup.ru), партнером компании Hewlett-Packard, организовали тестирование технологии параллельных вычислений с использованием пакета ANSYS CFX 5.7 и многопроцессорной вычислительной системы HP Integrity.

Что мы тестировали

Программный комплекс ANSYS CFX 5 предназначен для решения задач вычислительной гидродинамики. С его помощью можно смоделировать процессы гидрогазодинамики, теплообмена, излучения, многофазные смеси и горение. Посредством ANSYS Multiphysics возможно решение связанной задачи аэроупругости. ANSYS CFX 5 позволяет производить распределенные вычисления на различных сетях рабочих станций. Комплекс содержит модуль для автоматического разбиения расчетной области на подобласти, которые размещаются на отдельных процессорах. Таким образом, можно решать задачи большой размерности в приемлемые сроки.

ANSYS CFX 5 может работать в параллельном режиме на следующих компьютерных платформах:

• одно- и многопроцессорные рабочие станции под UNIX (HP, IBM, SGI и SUN);

• системы на базе процессоров Intel под управ­лением Windows NT/2000/XP;

• системы на базе процессоров IA32 и IA64 под управлением Linux.

Основные отличительные черты, показанные ANSYS CFX 5.7 при проведении распределенных вычислений, — это линейная масштабируемость по производительности и по оперативной памяти, а также идентичность результатов на последовательных и параллельных платформах. Встроенные библиотеки передачи данных между процессорами (PVM, MPI) позволяют оптимальным образом распараллелить процесс счета для каждой из платформ.

На чем мы тестировали

Выбор конфигурации для проведения тестов зависит от требований заказчика и предполагает достижение максимальной эффективности. Компания Inline Group проводит исследования различных решений высокой производительности с целью определения оптимальности представленной клиентом системы для соответствующих бизнес-процессов.

В данном случае тестирование проводилось на четырехпроцессорной вычислительной системе HP Integrity rx4640. Этот сервер, созданный на базе процессора Intel Itanium 2 (совместная разработка HP и Intel), снижает стоимость платформы и обеспечивает лучшую производительность и масштабируемость. В основе сервера HP Integrity rx4640 лежит микропроцессорный набор HP zx1, который полностью реализует возможности процессоров Intel Itanium 2 за счет сокращения интервалов задержки при доступе к памяти и вследствие повышения пропускной способности подсистем ввода-вывода. На платформе Itanium 2 компания Inline Group проводила тестирование баз данных, расчетных приложений, ERP-систем с различными операционными системами: HP UNIX, Windows 2003, 64 bit.

Тестирование

В качестве теста рассчитывались газодинамические параметры течения в вертикальном погружном нефтяном насосе серии Н-50.

Расходно-напорные характеристики насосов определяются в основном параметрами рабочих колес и направляющих аппаратов. В настоящее время выбор и оптимизация параметров рабочих колес и направляющих аппаратов осуществляются опытным разработчиками посредством расчетно-экспериментальных методов, которые требуют значительных материальных и временн ы х затрат, при этом не всегда достигается положительный результат. Применение программного комплекса ANSYS CFX 5.7 позволяет значительно облегчить процесс создания и оптимизации этих параметров.

В модуле ANSYS ICEM CFD Hexa создавалась расчетная сетка, на основе исходной сетки была сгенерирована блочная структура; затем полученная сетка была импортирована в ANSYS CFX 5.7.

Расчетная сетка в данной задаче — гексаэдрическая, состоящая из 7 369 241 элемента и 7 376 101 узла. В расчете применялась k-w based-модель турбулентности Shear Stress Transport (Menter, 1994), объединяющая в себе преимущества к-e- и k-w-моделей и обеспечивающая более высокое качество моделирования процессов в основном потоке и пограничном слое. Для решения ДУ использовалась схема дискретизации второго порядка. Расчетная область содержала два интерфейса для связи между направляющими аппаратами и ротором.

Для того чтобы проследить работу ANSYS CFX 5.7 и HP Integrity Rх4640 в ситуациях с разными требованиями к вычислительным ресурсам, были проведены два типовых варианта расчета — расчет на одном процессоре и 16 Гбайт памяти и расчет на четырех процессорах и 16 Гбайт памяти.

В первом варианте расчета были получены следующие результаты:

• время от запуска задачи до начала первой итерации — 3 мин 40 с;

• время на выполнение одной итерации — 45 мин 50 с.

Во втором варианте расчета результаты были такие:

• время от запуска задачи до начала первой итерации — 7 мин 53 с;

• время на выполнение одной итерации — 11 мин 50 с.

Таким образом, параметры ускорения по итерациям составили: 2750 с:710 с=3,87, то есть полученное значение отличается от идеальной кривой на 3,25% и лежит в пределах точности измерения.

Результаты решения задачи в обоих вариантах решения полностью совпали, что подтверждает независимость сходимости решения от архитектуры вычислительного комплекса.

Масштабируемость комплекса ANSYS CFX 5.7 оказывается практически линейной, что связано с принципами, заложенными в CFX 5, и, в некоторой степени, с использованной тестовой задачей, когда время вычислений значительно превышает время обмена данными между процессорами. При большом количестве процессоров (несколько десятков) следует ожидать эффекта насыщения: дальнейшее увеличение числа процессоров приведет к несколько большему отклонению от идеального графика ускорения.

Результаты расчета свидетельствует о достоверности полученных данных. При стандартных условиях испытания (рабочее тело — вода, напор на выходе 50 м ) насос должен обеспечить подачу Q=50 м³/ч. Расчетное значение, полученное при моделировании, — Q=46,5 м³/ч, то есть подобная погрешность расчета 7% лежит в пределах точности эксперимента.

Выводы

Таким образом, проведенное тестирование показало, что на ресурсоемких задачах, требующих большого количества машинного времени, комплекс ANSYS CFX 5.7 при работе на многопроцессорной вычислительной системе HP Integrity rx4640 продемонстрировал ускорение, близкое к максимально возможному.

«САПР и графика» 10'2004