HPC CHINA 2019:航空航天領域高性能計算應用

2020-11-21 IT168

  中國一年一度高性能計算領域的盛會——全國高性能計算學術年會(HPC CHINA 2019)在內蒙古呼和浩特盛大開幕!

  本屆大會由中國計算機學會主辦,中國計算機學會高性能計算專業委員會、內蒙古和林格爾新區管理委員會、清華大學和內蒙古大學共同承辦,北京並行科技股份有限公司協辦。以「計算 見智 贏未來」為主題,聚焦E級計算機研製挑戰、HPC重大應用等主題展開,匯聚業界前沿學術與應用動態。

  此次大會,行業各界頂級人才齊聚一堂,共同探討HPC系統在大數據、人工智慧、E級計算、航空航天等領域的應用趨勢和融合發展。參會人數超過2500名,參展科研院所及企業50餘家,特邀報告及主題演講總共21場,論壇會議將近50場。

  隨著航空航天技術的發展,對產品提出挑戰物理極限的要求,高性能計算逐漸在航空航天領域發揮著重要作用,通過工程計算與仿真,提高產品迭代效率、降低成本。

  本論壇主要圍繞運載工具、衛星、航空器、航空動力裝置等高性能計算應用主題,立足建立正向自主研發能力,邀請相關領域專家進行報告,主要針對可壓縮空氣動力學、燃燒、傳熱、多相流、計算性能優化等方向應用交流,促進航空航天領域技術交流和高性能計算應用發展。

  首先帶來分享的是來自中國航發四川燃氣渦輪研究院研究員專業總師徐華勝,他演講的題目是《航空發動機燃燒室數值仿真應用狀況及發展需求》。

  中國航發四川燃氣渦輪研究院研究員專業總師徐華勝

  燃燒室是航空發動機的三大核心部件之一,航空發動機燃燒室包含了湍流、霧化、蒸發、化學反應和輻射等複雜的三維兩相湍流燃燒過程,高精度描述航空發動機燃燒室中的湍流燃燒過程需要複雜的物理模型。

  由於燃燒室過程的複雜性,傳統的研製手段以試驗為主,成本高、周期長,難以滿足航空發動機迅速發展的需求。計算機技術以及計算流體力學和計算燃燒學的發展存進了數值仿真方法在航空發動機燃燒室中的應用,加快了航空發動機燃燒室的研製過程。

  技術研究和產品研製過程中發揮了越來越重要的作用,成為必不可少的分析手段。徐老師介紹了數值仿真在航空發動機燃燒室上的應用情況,燃燒室工作過程複雜,存在高紊流、氣液兩相流動和混合、燃燒化學反應、冷熱氣流摻混等多重複雜物理化學過程,目前的數值仿真結果與工程精度需求還存在較大差距,從工程應用角度提出了數值仿真需要解決的主要技術問題,以期通過燃燒室仿真技術軟硬體的不斷進步,為工業部門提供可靠的研製平臺。

  接下來是來自西安電子科技大學的趙勳旺,他帶來了題為《系統級高精度電磁計算在航天領域的應用》的分享。

  西安電子科技大學趙勳旺

  在航天領域的電磁設計中,長期以來需要開展天線與天線罩一體化高精度仿真計算與一體化優化設計工作,但傳統方法往往難以提供解決方案。據趙勳旺介紹,航天領域的雷達帶罩系統需要重點研究兩部分,分別是分析和優化。

  精確分析:複雜的天線陣列與天線罩一體化精確分析以及多組饋電時的快速計算問題。

  高效優化:天線在加天線罩後輻射性能出現大幅度下降,尤其差波束零深的損耗導致無法精準定位目標,期望通過對雷達天線陣元的幅相進行調控優化後對差波束零深和偏移進行補償。

  趙勳旺還介紹了超大規模並行高階矩量法的關鍵理論與方法,重點給出航天領域的實際應用案例。

  下一位演講者是清華大學航天航空學院特別研究員博士生導師肖志祥,他分享的主題是《RANS-LES混合方法框架體系》。

  清華大學航天航空學院特別研究員博士生導師肖志祥

  航空航天領域內存在很多非定常流動現象,如大攻角、大分離等等,需要發展兼顧計算精度和效率的非定常流動預測方法。

  肖老師分享了兩大方面:

  一、建立了RANS-LES混合方法框架體系

  提出含轉捩機制的RANS-LES-Tr混合方法,解決轉捩/大分離共存難題;提出自適應係數RANS-LES-AC方法,一體模擬強剪切附體與解析各向同性分離;提出含更多轉捩機制的RANS-LES混合方法的基準轉捩模式,並用DNS驗證;提出與RANS-LES混合方法匹配的寬速域自適應耗散格式與高質量網格生成策略。

  二、UNITs軟體應用於國家重大科技工程非定常湍流激勵預測

  大型客機低速機體噪聲及跨聲速激波抖振控制;隱身飛機S彎進氣道和低超聲速內埋彈倉動載荷; XX飛行器非定常湍流、轉捩預測等。

  下一位演講的老師是西北工業大學教授博導鍾誠文,他演講的題目是《跨流域計算方法中的高性能計算》。

  西北工業大學教授博導鍾誠文

  在近空間高超聲速飛行器、天地往返運輸系統、太空飛行器姿態控制等研究中均會涉及到多流域問題。基於連續性假設的Navier-Stokes方程在多流域情況下不再適用,目前多採用Boltzmann方程的統一算法。由於速度空間的離散,需要求解七維控制方程,導致了維度危機。

  鍾老師介紹了速度空間的均勻離散和非均勻離散對計算資源的需求的差異、在求解控制方程中所採取的加速和並行計算策略,展示了多流域算例計算結果和並行計算效率。

  接下來是來自中國商飛上海飛機設計研究院研究員專業總師楊士普,他分享的題目是《HPC在航空產品設計中的應用》。

  中國商飛上海飛機設計研究院研究員專業總師楊士普

  商用飛機是一個高度複雜的系統工程,同時也是一項高投入、高風險、高回報的商業活動。為提升商用飛機的性能,縮短研製周期,提高市場競爭力,越來越多的計算機仿真技術被應用到飛機設計中,HPC為仿真技術的深度發展提供了基礎之一。

  楊士普最後總結道:基於市場對飛機產品的要求,CFD仿真將在飛機研發過程中承擔越來越重要的角色;基於CFD仿真的需求,HPC計算能力的需求將以10的三次方倍/10年的速度增長;基於成本與效率的考慮,CFD軟體將從由商業軟體為主轉向以開源/自研軟體為主。

  在本次分論壇中,最後一位出場的是來自中國空氣動力研究與發展中心博士趙鍾,他演講的題目是《CFD軟體對高性能計算的需求思考》。

  中國空氣動力研究與發展中心博士趙鍾

  趙老師的報告圍繞航空航天飛行器設計過程中對高性能並行計算的需求,分析當前計算流體力學軟體(CFD)並行計算的發展形勢,從「國家數值風洞」風雷軟體的現狀出發,探討在面臨下一代E級系統複雜硬體環境下,CFD軟體如何在並行適應性、封裝性方面取得較好的平衡。

  寫在最後,伴隨高性能計算技術的不斷發展,航空航天領域工程仿真計算也越來越突顯其重要的作用,帶動經濟效益與社會效益,促進航空航天領域技術交流和高性能計算應用發展。

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