基于GPU和隐式格式的CFD并行计算方法

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1、第31卷2010年第2期2月航空学报ACTAAERONAUTlCAETASTRONAUTICASlNICAV01．31No．2Feb．2010文章编号：1000—6893(2010)02一0249一08基于GPU和隐式格式的CFD并行计算方法张兵，韩景龙(Ca京航空航天大学航空宇航学院，江苏南京210016)ParallelComputingMethodsforCFDUsingaGPUandImplicitSchemeZhangBing，HanJinglong(CollegeofAerospaceEngineering，NanjingUnive

2、rsityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016，China)摘要：从图形处理器(GPU)架构特点出发，提出了基于数据并行的隐式计算流体力学(CFD)求解方法，空间离散格式采用迎风Roe格式，计算网格适用于结构和非结构网格。采用统一计算设备架构(CUDA)技术实现了GPU上的隐式CFD并行计算。分别在IntelCore2Quad3．0GHzCPU和NVIDIAGTX280GPU上进行了计算，结果表明隐式格式计算速度是显式格式6倍以上，采用显式格式的计算加速比达到28倍，采用隐式格式计算加速比达到了2

3、8．7倍，同时计算加速比随计算规模的增加而增加。计算结果和实验结果较为吻合。关键词：计算流体力学；图形处理器；并行计算；隐式格式；统一计算设备架构中图分类号：V211．3文献标识码：AAbstract：Basedonthefeaturesofthegraphicsprocessingunit(GPU)architecture。animplicitdata-parallelschemeisdevelopedtOsolvecomputaitionalfluiddynamics(CFD)problems．Theproposedmethodisappl

4、ica—bletOstructuredandunstructuredmeshesandusesanupwindschemetOachievemoreaccurateresults．ThemethodisimplementedonNVIDIAGTX280GPUbyemployingcomputeunififieddeviceanchitecture(CU—DA)technologyandcomparedwithIntelCore2Quad3．0GHzCPU．Theresultsindicatethattheimplicitschemepropos

5、edinthisarticleis6timesfasterthantheexplicitschemewiththesamehardwareandthetom-putationisspeduptO28．7timesbyusingtheGPUandimplicitschemecomparingtO28timesbyusingexplicitscheme，anditwillbemoreefficientforlargerscaleproblems．Finally，theresultswiththisschemeexhibitgoodagreement

6、withexistingexperimentaldata．Keywords：computationalfluiddynamics；graphicsprocessingunit；parallelcomputing；implicitscheme；tom—puteunifieddevicearchitecture传统意义上的计算流体力学(CFD)是指用数值方法求解Navier-Stokes(N-S)方程或Euler方程，属于典型的计算密集型学科，对计算能力和资源有较高需求。一般来说，对全机CFD计算(包括气动弹性、推进系统影响和控制系统作用)，采用N

7、—S方程的浮点运算量达到1015～10”flopsr¨，这只能在计算机集群甚至超级计算机上通过并行计算完成；对机翼的CFD计算，采用N—S方程的运算量通常也在10“flops，这在单颗CPU上计算也是异常耗时的。高效率低成本地解决计算问题一直是CFD研究的关键问题。近5年来，基于图形处理器(GPU)的通用计算技术的发展，如NVIDIA的统一计算设备架构(Corn-puteUnifiedDeviceArchitecture。CUDA)，AMD的流体处理器CTM(CloseTotheMetal)等，为收稿日期：2009—06—16；修订日期：200

8、9—09—15基金项目：国家自然科学基金(10872089)通讯作者：韩景龙E—mail：hjlae@nuaa．edu．Cll解决CFD计算问题提供了