学术成果 | 神威超级计算机助力实现极大规模基于格子玻尔兹曼方法的流体动力学模拟

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导读

计算流体动力学(CFD)数值模拟和仿真已成为工业设计和先进制造行业中辅助工程设计的重要工具，格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method，LBM）是其中一类重要方法。近日，国家超级计算无锡中心、清华大学和中国船舶科学研究中心等单位研究人员共同合作，研发了可基于神威系列超算和异构架构处理器架构开展高效大规模并行计算的LBM软件。研发团队共同撰写的论文“SunwayLB: Enabling Extreme-Scale Lattice Boltzmann Method Based Computing Fluid Dynamics Simulations on Advanced Heterogeneous Supercomputers”被国际计算机系统结构领域顶级期刊IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems(TPDS)录用，中国船舶科学研究中心的褚学森研究员和国家超级计算无锡中心/清华大学的杨广文教授为论文共同通讯作者。

成果简介

计算流体动力学(CFD)数值模拟和仿真已成为工业设计和先进制造行业中辅助工程设计的重要工具，与传统的基于试验的设计迭代流程相比，基于数值模拟的设计迭代方式消耗更少的资源并缩短设计周期。格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method，LBM）是其中一类重要方法，它基于统计物理以粒子速度分布函数作为基本求解量，适合超大规模并行计算和弱可压非定常流动的模拟，并能较容易处理自由面，实现物体运动等功能，已经被广泛应用于汽车制造、航空航天等领域，并形成了一批商业和开源软件。

由于已有的商业或开源软件不能在国产超算上高效运行，需要面向神威系列超算和异构架构处理器架构研究高效率的计算流体力学软件，并开展相关的功能模块算法开发和并行优化实现。本工作基于中国船舶科学研究中心和国家超级计算无锡中心联合研发的SWLBM仿真软件，通过定制的多级域分解和数据共享、内核融合、通信隐藏以及汇编级代码优化等技术，在“神威·太湖之光”、新一代神威超级计算机和GPU集群等先进异构计算平台上开展了细粒度性能优化和可扩展性优化，完成了多个仿真算例的验证，并分别在“神威·太湖之光”、新一代神威超级计算机和GPU集群上完成了大规模并行模拟，最多扩展超过一千万个计算核心上，网格数量超过5.6万亿，持续计算性能达到4.7PFlops。该工作取得的成果可以充分发挥国产异构先进计算架构的性能潜力，为超大规模、超高精细度的工程仿真提供有力支撑。

图1：强可扩展性测试

使用了圆柱绕流、suboff潜艇模型和风场模拟等三个算例进行验证和测试

图2：风场模拟结果展示

IEEE TPDS 期刊简介

《IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems(TPDS)》主要关注并行和分布式系统研究领域的重要科学进展，是中国计算机学会（CCF）推荐A类国际学术期刊。该期刊覆盖了并行和分布式算法，并行和分布式计算的应用，并行和分布式架构以及并行和分布式软件等方面的最新研究成果，是高性能计算领域中最具影响力的刊物之一。

（文章来源：国家超级计算无锡中心）

来源：神工坊

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首次发布时间：2024-03-06