强大的虚拟风洞仿真解决方案

本文摘要（由AI生成）：

Cray和Altair联手，通过运用Altair的HyperWorks Virtual Wind Tunnel（VWT）在Cray高性能计算（HPC）产品上，为工程师提供了一种高效、精确的外场流空气动力学分析解决方案。这一技术替代了传统的物理风洞测试，降低了成本，并减少了多次测试的需求。HyperWorks VWT的特点包括精确的求解器、高级网格划分技术、友好的用户界面和高效的作业负载管理。Cray的XC30和CS300系统，特别是XC30，能够支持大规模仿真，展现出卓越的扩展性和并行效率。研究表明，HyperWorks VWT在Cray系统上运行，无论对小型还是大型模型，都能保持高效的并行性能。此解决方案不仅适用于汽车行业，还广泛应用于风机开发和建筑等行业，得到了业界的广泛认可。

作为业内领军企业，Cray和Altair可以提供功能强大且非常实用的先进技术，为工程师更快、更准确地执行外场流空气动力学分析提供必要条件。现在，通过在Cray XC30或CS300系统上运行 Altair的HyperWorks Virtual Wind Tunnel，无论是何种规模的制造商，无需多次执行物理风洞测试，就可以预测汽车的外流场空气动力学性能，并在设计中改进冷却性、舒适性、视野和稳定性等特性。

面临的挑战：预测空气动力学性能以提升设计质量

外流场空气动力学仿真在现代汽车设计中扮演着举足轻重的角色。车辆的燃料消耗量、稳定性、发动机冷却、座舱内部噪声以及风挡刮水器的性能等均与空气动力作用息息相关，因此在投入制造之前，有必要先将空气动力的相关效应研究清楚。

虽然空气动力学性能测试可以在物理风洞中进行，但这样做的成本相当昂贵，而且可能要经过多次测试才能确定改进效果所需的变动。作为一种替代方案，虚拟风洞仿真允许设计工程师在物理测试之前对空气动力学载荷进行研究，从而减少在汽车开发过程中进行物理风洞试验的需要。

关于 HyperWorks Virtual Wind Tunnel

Altair的HyperWorksVirtual Wind Tunnel (HyperWorks VWT) 将车辆外流场空气动力学性能的预测精度和速度推向新高。

HyperWorksVWT将先进的网格划分和仿真技术与高度自动化的工作流程相结合，提供了一个多位一体的设计界面。用户可以在一个直观易用的界面中完成从引入曲面网格划分、设置问题，到提交仿真模型，再到获取最终报告的所有工作。利用 HyperWorks VWT对空气动力学性能（包括升力、阻力、压力分布、流场（流动分离）、空气声学和其他因素）进行仿真和分析，得以使车辆更安全、性能更出色并且更节能。

HyperWorks Virtual Wind Tunnel的功能包括：

• 精确、稳健且可扩展的求解器：

HyperWorks VWT依赖AcuSolve®提供强力支持，AcuSolve®是一款基于有限元的计算流体动力学(CFD) 求解器，可对非常棘手的大规模工业问题进行高效求解。可通过稳态及瞬态仿真获得精确的外流场空气动力学仿真结果。

• 高级网格划分：

HyperWorks VWT具有快速、全自动的非结构化网格划分器，可支持多种高级技术，例如边界层的传播、曲面和体积的挤压、各向异性和边缘的混合网格划分、影响范围的设置以及用户自定义功能等。

• 友好直观的用户界面：

HyperWorks VWT采用多位一体的用户界面，其具有高度自动化的设置过程和方便用户使用的工作流程。

• 高级的CFD后处理功能：

可通过AcuSolve来执行高级后处理任务，进而对规模庞大的复杂CFD数据进行可视化。

• 优化的作业负载管理：

HyperWorks VWT与Altair的PBS Professional相结合，可优化Cray硬件的资源利用率。

Cray在空气动力学仿真的应用

不管是要捕获侧视镜周围流场的细节，还是要对整辆车进行大涡模拟，精细的网格划分都必不可少，因而便需要一个可扩展的计算环境来实现所需性能。

Cray, Inc以构建功能强大的计算机系统来求解世界性难题而闻名，而事实也证明，HyperWorks Virtual Wind Tunnel的求解器可以在Cray系统上扩展自如。

Cray 提供两款适用于 HPC 的产品：

• CrayCS300是采用最新的x86处理器（例如Intel“IvyBridge”）和多个互连式选件（例如FDRInfiniBand）的群集架构。其计算刀片专门针对HPC而设计，侧重于可靠性和配置灵活性。

• CrayXC30也是一种节点互连式架构，但旨在实现可扩展性和性能水平的最大化。它融合了最新的Intel处理器，基于Cray专有的高速“Aries”互连技术而构建。Aries互连技术及关联系统软件可以打造业内领先的可扩展性和性能水平。Cray XC30能够将仿真规模扩展至超过5000个核。

例证：在Cray系统上运行HyperWorks VWT

在Cray XC30系统上运行 HyperWorksVWT可以显著提升性能水平。为研究HyperWorks VWT 在不同核心数量下的可扩展性，Cray和Altair重点研究了两种不同规模的问题：

• 规模相对较小的问题（2200 万个有限元单元）：对基准汽车模型（称为ASMO 模型）进行外流场空气动力学分析

• 规模较大的问题（10 亿个有限元单元）：绘制两台一级方程式赛车的仿真模型

规模相对较小（2200万个有限元）的问题表明，HyperWorks VWT在配有Intel®Xeon® E5-2600 v2系列（熟称“IvyBridge”）的2.7GHz 12核（双接口/节点）处理器的CrayXC30系统上具有可扩展性。此模型中的有限元单元数量对于整个汽车算例而言还比较少；但足可以表明HyperWorks VWT在模型规模较小时的扩展能力。

2200 万有限元模型的研究结果：

• 核数最多为300时，可达到几近完美的出色扩展效率（95% 以上）

• 核数为576时，可达到良好的扩展效率（80% 以上）

由此证明，即使采用规模较小的模型，HyperWorks VWT软件也可以在Cray硬件的配合下极大地发挥扩展能力，达到预期的周转要求。

第二个问题是对两台一级方程式赛车特性的仿真。此算例中的有限元单元数量为10亿，大约是较小模型的50倍，也就说明这是一个大规模的外流场空气动力学问题。研究人员在以下两个Cray XC30系统上对可扩展性、吞吐量和I/O进行了测试：一个配有2.5 GHz 12核Ivy Bridge处理器，另一个配有3.0 GHz 10核Ivy Bridge处理器（两个系统均为双接口/节点）。

10 亿有限元模型的研究结果：

• 核数最多为1600时，可达到出色的并行效率（90% 以上）

• 核数为3200时，可达到良好的并行效率（80%）

上述结果表明，当超级计算性能是必要条件时，HyperWorks VWT和Cray解决方案可以发挥高效的扩展能力来满足日益紧张的产品设计周期要求。还值得注意的是，相比显式求解器，HyperWorks VWT可显著增大仿真时间增量，从而大幅缩短周转周期。

在 Cray上运行HyperWorks VWT：出色的扩展效率和并行效率

主要的基准测试结果：

• 核心数扩展至300时，可达到几近理想的效率

• 对于规模较小的问题，可在核心数最多为576时发挥强劲性能

• 对于规模较大的问题，可在核心数最多为1600时发挥出色性能，可在核心数为3000以上时发挥良好性能

“HyperWorks Virtual Wind Tunnel 的基准测试结果与实际的风洞测试结果非常吻合。HyperWorksVWT的易用性、灵活性、精确性和快速性，不仅会给汽车行业带来裨益，还会使其他需要进行外流场空气动力学仿真的领域（如风机开发和建筑工程与施工）从中受益。”Altair CFD技术VP,Farzin Shakib。

“仿真已经不再受高端数据中心的限制，Cray新推出的 XC30-AC系统继续发扬了公司传统，通过创建特制系统吸引新客户，不断拓展在超级计算市场中的应用。”IDC HPC VP, Earl Joseph。