高性能计算在工业工程领域的应用和发展

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1、高性能计算在工业工程领域的应用和发展

2、第1下面以计算流体动力学（CFD）为例，说明高性能计算机的发展对工程应用领域的极大推动作用。自二十世纪六十年代以来CFD技术得到飞速发展，其原动力是不断增长的工业需求，而航空航天工业自始至终是最强大的推动力。传统飞行器设计方法试验昂贵、费时，所获信息有限，迫使人们需要用先进的计算机仿真手段指导设计，大量减少原型机试验，缩短研发周期，节约研究经费。如美国战斗机YF-23采用CFD进行气动设计后比前一代YF-17减少了60％的风洞试验量。目前在航空、航天、汽车等工业领域，利用CFD进

3、行的反复设计、分析、优化已成为标准的必经步骤和手段。但是还有大量的问题需要更大规模的计算才能满足需求。如飞机设计中全机气动性能计算，火箭发动机复杂多变的燃烧和跨音速流动模拟，导弹的气动隐身性能评估，低阻力系数高性能汽车外形的设计和分析，透平机械复杂叶型及组合的设计分析，潜艇尾迹模拟，高超音速航天器空气动力学设计分析，核电站水蒸汽两相流流动分析，非定常状态的物理过程如飞机起飞降落、过载下空间推进剂晃动分析等。这些大规模设计计算问题不但单个作业计算量庞大，且需不断调整，重复计算。人们试图在很多场合期望放弃假设直接去求解和

4、探索机理问题。如抛开基于统计理论的湍流简化模型直接模拟（DNS）湍流，这在计算能力有限的过去几乎是无法想象的。当前CFD问题的规模为：机理研究方面如湍流直接模拟，网格数达到了109（十亿）量级，在工业应用方面，网格数最多达到了107（千万）量级。工程计算中的难题随着计算技术和计算机的发展而不断解决。与此同时，新的问题又会不断产生。例如，从基本材料的组份与构造到复合材料，从复合材料做成构件，再由构件装配成工程/产品，存在着从微观、细观到宏观的多尺度现象；不同的尺度服从于不同的物理、力学模型；通过对宏观模型的细分，不能导

5、致细观和微观模型；相反，通过微观和细观模型的无限迭加，也难导致宏观模型。因此，在工程/产品的精细分析中，客观地会遇到多尺度模型的耦合问题。目前的CAE软件，都是仅限于宏观物理、力学模型的工程/产品分析。计算机性能和计算方法的限制是一个重要的因素。三、Cluster体系的高性能计算机推动了工程计算在超级计算机发展中，随着Cluster架构的日渐成熟及其系统管理技术和软件的逐步完善，并借助于Linux系统的不断发展，其构建的系统规模在不断扩大。在TOP500中，Cluster已经成为主流结构，且发展势头强劲。2005年6

6、月发布的排名中，Cluster架构的机器已有304台，占60.8％。工业和制造业在计算和数据处理方面的应用，由于其资金、规模以及实际解题的规模限制，对计算机机型并非越大越好，往往采用中型或小型规模的超级计算机达到的效果和加速比可能比大规模的更好。正是这样的原因，制造业新产品研发选择制造成本低，可扩展性极强，容易构造和维护，对运行环境要求低的Cluster体系的高性能计算机。另一方面，Cluster体系的高性能计算机的发展推动了工程计算的发展，工业和制造业使用高性能计算机的门槛不断降低，几乎得到了普遍的应用。制造业领域

7、的另外一个主要特点是利用行业公认的商业软件进行分析和计算，特别是涉及到大型工业产品设计，如飞机，船舶，汽车等，所用软件必须得到行业标准的认可。随着高性能计算机的广泛应用和快速发展，近年来CAE软件开发公司纷纷支持高性能计算，例如MSC,ANSYS,Fluent等大型工程分析软件公司，纷纷推出并行计算版本，支持高性能计算机的应用，特别是对基于Linux操作系统的Cluster体系的支持，推动了广大制造业大规模计算应用的发展。四、完整的工业体系对高性能计算有大量的需求以上海为龙头的长江三角洲地区是中国大型制造业的基地，在

8、航天航空，汽车，船舶，核电工程等领域有举足轻重的地位。上海地区完整的工业体系的信息化，特别是产品设计和研发过程对高性能计算的需求非常迫切。在航天领域，国家已启动中国新一代无毒、无污染运载火箭的研制工作，该火箭研制成功后将全面进入全球商用运载市场的竞争。上海航天局将承担部分总体和分系统研制工作。航天工业是高性能计算应用开展最早、应用最广泛的工业领域，有大量的问题，例如高超音速飞行器外形空气动力学设计和分析、飞行器气动热、结构耦合分析、不同载荷条件下推进剂行为模拟、火箭电磁兼容性分析等都需要大规模的计算和仿真。航天工业是

9、中国大力发展的高新技术产业,它的发展将直接带动相关产业。在航空方面，中航商用飞机有限公司和中航一集团第一研究院承担的国家重点项目支线飞机的研发，高性能计算在数值风洞、气动气弹、结构强度、载荷疲劳等方面有大量的应用，进行民用飞机、军用飞机和通用飞机的组件、部件、全机的计算、分析、研究和模拟等。在核电工程方面，上海核工程研究院承担的国产100万千瓦