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NASA举办挑战赛加快标志性CFD软件运算速度
王元元

2017-05-22 | 聚焦

据美国《航空周刊》网站2017年5月16日刊文,计算流体力学(CFD)如今已经成为飞机设计的基础手段。风洞和飞行试验通常被用来验证由CFD建立的物理模型。随着复杂航空器空气动力学模拟能力的提高,CFD软件也得到了长足的发展。

一些CFD软件已经在超级计算机上大规模应用,但即使这样,对于完全优化一个设计方案来说,利用CFD进行大量的分析计算还显得非常耗时。随着工程师们对愈发复杂的、非传统高效气动构型探索的不断深入,CFD计算的时间成本正在成为一个瓶颈。

NASA为何要加快其超级计算机CFD计算软件运算速度?

FUN3D代码在过去的35年发展的非常迅速,目前已经到了第14版(Version 14);

非传统布局的复杂气动问题需要进行更多的CFD分析;

设计师希望能够使用CFD代码实时优化空气动力特性;

NASA希望通过架构、软件和其它改变实现CFD计算的加速。

NASA目前使用的FUN3D是一个强大的、多功能的CFD计算程序,被来自美国大学、工业界和政府机构的研究人员和设计师广泛使用。该软件支持基于物理的空气动力学分析,可进行全机气动模拟,被视为一种国家资产。该软件已经开发超过30年之久,计算能力大幅增长。

由于设计飞机、旋翼机、发射和再入航天器等飞行器的需求不断增加,FUN3D目前占据了NASA昴宿星(Pleiades)超级计算机计算机时的12%,大约每年2亿机时。该软件主要用于降低机体噪声和声爆的研究,以及从直升机旋翼到空间发射系统的设计。

NASA航空研究任务事务部已经启动了一个竞赛——“高性能快速计算挑战”,旨在寻找如何将FUN3D程序在昴宿星超级计算机上的运算速度提高10-10000倍,而同时不降低计算精度的方法。目前,该挑战赛已经在两个众包平台“HeroX”和“托普科德(TopCoder,它是一个众包式开发者编程社区,开发者可以通过解题获取报酬。TopCoder同时也是一家专门组织计算机程序设计竞赛的公司)”上启动,挑战者们将为55000美元的奖金展开角逐,截止日期是6月29日。

NASA革命性航空概念计划下负责此次挑战赛的项目经理迈克尔·赫特表示,“在昴宿星上通常需要一周的时间才能给出计算结果,这并不是实时的。如果我们能够加速这一过程,设计师们在当天就能获得结果,实时地分析结果,并根据结果停止或调整进行中的试验。”

利用FUN3D计算低音爆超声速喷气公务机风洞模型产生的激波

明尼苏达州立大学教授格雷汉姆·坎德勒表示,“我们通常在能够应对的最大网格上计算,而不是我们希望运算的网格。”在CFD计算中,网格量的大小决定了流动物理特性捕捉的精度。

NASA旨在利用挑战赛为解决CFD计算时间问题提供一个不同的视角,或者至少对其内部研究人员是否在正确的轨道上前进提供一个外部验证。赫特表示,FNU3D需要加快运算速度10000倍用于下一代飞机设计中。

提高FUN3D运算速度带来的好处将是巨大的。普渡大学副教授乔纳森·伯吉斯表示:“FUN3D是一个广泛应用于复杂布局的CFD代码,比如全机模拟。它是一个通用的代码,在很宽的速度和使用范围内都有效。”但是,加快CFD代码的运算速度并不是一件容易的事,与这个代码的开发时间、能力和复杂性有关。

伯吉斯表示,“FUN3D是一个非结构网格计算程序,相比结构网格计算程序,它使复杂外形的网格生成更加简单,例如直升机旋翼,但缺点是计算耗时较长。”

FUN3D的网格自适应功能可对高升力系统流动关键区进行网格加密

按照哈佛大学众包创新实验室的建议,NASA将此次挑战赛分成了三个部分。前两个部分是在HeroX上的构思挑战,以及在Topcoder上的架构挑战。

构思挑战主要寻求算法改善,包括网格自适应、高阶方法和高效的求解技术。赫特表示,“它的目的是确保NASA在考虑到该程序的年代和语言后,选择正确的路线。”FUN3D是用Fortran语言编写的,这在编程语言中一点也不现代。赫特表示:“最终的结果可能是用Fortran语言编写的程序是唯一可用的,或者我们发现我们走在错误的道路上,需要采用另外的编程语言。”

架构挑战主要是优化单个的软件模块以及模块间的处理以降低计算时间。挑战者将“采用现有的代码,寻找道路中弯曲的地方并定位,然后有针对性的疏通和加速”。赫特强调,由于FUN3D是受出口管制的,因此挑战赛只限美国公民参加。

基于构思挑战和架构挑战的结果,NASA将决定是否启动第三阶段的挑战——改写FUN3D并进行验证。挑战者们将在7月提交他们的解决方案,NASA将在8月审查结果,9月宣布获胜的提案。NASA将在10月决定前两个阶段的挑战是否展示出足够的前景以启动第三阶段竞赛。运算速度的改善将是巨大的。赫特表示,“进程目前还不够快,我们需要运算速度的跨越式提升。”

利用FUN3D模拟安装在国家全尺寸气动研究综合体内的UH-60旋翼系统

坎德勒目前对加快运算速度的目标持怀疑态度, “FUN3D和大规模代码不是手机APP,它们相当复杂,内部有许多相互关联的流程。通过外部完全不懂CFD和数值方法的人改善这种复杂代码从而提高运算速度的想法是幼稚的。”他表示,“不像NASA每天使用FUN3D的科研人员,外部的人根本不能胜任。我高度怀疑是否有10倍提速的可能,更不用说1000倍以上了。”

改变一个历史悠久的、许多人非常信任的CFD代码也是存在风险的。伯吉斯表示:“重新编写已经经过良好验证的类似FUN3D这样的代码可能会引入新的错误。”

坎德勒认为,采用公开挑战的方式也会涉及代码的出口受限问题。“任何一个下载FUN3D代码的人都应该有一个适当的技术控制计划,并且必须仔细保护代码。我不明白如何在一个黑客盛行的高度协同化的软件开发环境下做到这一点。”

但是如果新的视角能够给航宇基础设计代码带来提速,研究人员和设计人员将获得巨大的收益。“我认为NASA有优秀的流程管理众包创新从而实现FUN3D运算速度的提升,”伯吉斯说,“获得的回报是短时间进行大量复杂设计计算的能力。”

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