CFD(Computational Fluid Dynamics,计算流体动力学)是一种利用计算机来解决工程流体流动问题的方法,具体方法是数值计算,通过计算机求解流体流动过程中的质量传递、能量传递、动量传递以及化学反应问题,不受物理模型和实验模型的限制,省钱省时,可以模拟真实条件和实验中很难达到的理想条件。

Fluent算得上应用最广泛的CFD应用了。2006年5月,正式成为Ansys大家庭中的重要成员,共享先进的Ansys公共CAE技术。

数值计算方法有几个难点:

1、很大程度上依赖于经验与技巧;

2、数值处理方法可能导致计算结果不真实;

3、因为涉及大量数学计算,有很高的计算资源需求。随着应用的物理建模不断精细,数值模拟分辨率越来越高,对计算能力的要求也越来越高。

当求解问题规模越来越大,网格数上升到几千万甚至上亿的时候,如何让Fluent仿真任务在更短的时间迭代收敛呢?

速石科技通过其一站式CAE云计算分析平台为永无止境的计算需求提供了一整套解决方案。

用户需求

某高校实验室使用Ansys Fluent进行基于化学反应模型的CFD流体仿真,因科研项目需要结题,需要在一周内完成10多个case的运算。

该实验室有80核本地资源,通常情况都是单机跑,没有集群环境。根据以往经验推断,要完成这组任务需要花费至少45天才能完成。

实验室老师也考虑过使用超算。

但一方面,超算的使用门槛比较高,且应用需要用户配置,无法做到开箱即用,他们更习惯拖拉曳的图形界面操作方式。

另一方面,该实验室迫切需要能够在短时间内使用比较大规模的算力资源,而超算没这么快,需要等。

实证目标

1、Fluent任务能否在云端有效运行?

2、fastone能够短时间内获取大量算力资源,大幅度缩短项目周期?

3、Fluent应用的高效率并行性是否在云端同样适用?

4、针对擅长和不擅长编程的用户,fastone能否提供不同的操作方式?

5、fastone平台能否支持实时查看残差图?

实证参数

平台:

fastone企业版产品

应用:

Ansys Fluent 20.20

操作系统:

CentOS 7.6

适用场景:

油/气能量的产生和环境应用

航天和涡轮机械的应用

汽车工业的应用

热交换应用

电子/HVAC应用

材料处理应用

建筑设计和火灾研究

云端硬件配置:

Ansys Fluent一直宣称自己支持高效率的并行计算功能,在2016年曾联手CRAY和HLRS超算创了一项世界记录,将Fluent扩展到超过172,000个计算机核心。

对于以有限单元法为基础的CFD类计算,尤其是选用隐式格式和耦合算法的时候,并行计算时会将网格分成很多块放在不同的计算节点上,在计算时每个迭代步节点之间需要进行大量的数据交换。因此,节点之间的数据通信就显得尤为重要。

Fluent通过内置MPI并行机制来大幅度提高可扩展性,通过放大计算资源规模来最短时间给出高精度的计算结果。

而在本地或超算环境,比较有效的解决方案就是IB-Infiniband。

针对这一特性,速石科技分别在云端选择了计算优化型实例和网络加强型实例进行验证。

调度器:

Fluent原生只支持LSF/SGE/PBS调度器,平台通过Slurm Wrapper的方式都可以支持。

关于这一点,下次再细讲。

技术架构图:

2.png

场景一

云端扩展性验证

理想值 VS 云端计算优化型实例

结论:

1、在云端使用计算优化型实例,当所调度资源在480核及以下时,云端扩展性较好。

2、随着核数逐渐增加,由于节点间通信开销指数级上升,性能的提升随着线程数增长逐渐变缓。当核数增加到960核时,计算优化型实例共耗时106.6小时,比理想耗时高16.6小时。

3.jpg

实证过程:

1、云端调度120核计算优化型实例运算一组Fluent任务,耗时721.8小时;

2、云端调度240核计算优化型实例运算一组Fluent任务,耗时362.2小时;

3、云端调度360核计算优化型实例运算一组Fluent任务,耗时242.4小时;

4、云端调度480核计算优化型实例运算一组Fluent任务,耗时183.3小时;

5、云端调度600核计算优化型实例运算一组Fluent任务,耗时152.1小时;

6、云端调度720核计算优化型实例运算一组Fluent任务,耗时130.8小时;

7、云端调度840核计算优化型实例运算一组Fluent任务,耗时117.3小时;

8、云端调度960核计算优化型实例运算一组Fluent任务,耗时106.6小时。

实证场景二

云端扩展性验证

云端计算优化型实例 VS 云端网络加强型实例

 

结论:

1、在云端使用云端网络加强型实例,调度960核计算资源,最多可将运算一组Fluent任务的耗时从本地单机环境的45天缩短到90.6小时(3.775天),可满足该实验室“一周内完成”的要求;

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2、网络加强型实例有效解决了Fluent任务并行计算节点间通信问题,在云上展现出了良好的线性扩展性。在相同的核数下,网络加强型实例的线性十分接近理想值。也就是说,如果核数增加,仿真所需时间会成比例缩短。

5.jpg

实证过程:

1、云端调度120核网络加强型实例运算一组Fluent任务,耗时720.1小时;

2、云端调度240核网络加强型实例运算一组Fluent任务,耗时360.3小时;

3、云端调度360核网络加强型实例运算一组Fluent任务,耗时240.2小时;

4、云端调度480核网络加强型实例运算一组Fluent任务,耗时180.2小时;

5、云端调度600核网络加强型实例运算一组Fluent任务,耗时144.4小时;

6、云端调度720核网络加强型实例运算一组Fluent任务,耗时121.1小时;

7、云端调度840核网络加强型实例运算一组Fluent任务,耗时103.3小时;

8、云端调度960核网络加强型实例运算一组Fluent任务,耗时90.6小时。

实证场景三

任务提交方法

journal标准流程化模式 VS Fluent应用图形界面模式

速石科技为有编程基础的用户提供journal标准流程化模式,用户可在Web浏览器中直接提交已编写好的journal文件,开启云端Fluent任务,方便快捷。

而对于无编程基础的用户提供Fluent应用图形界面模式,用户可通过Web浏览器启动集群,跳转到虚拟桌面,并可在该桌面直接操作Fluent应用进行相应设置以开启云端Fluent任务。

journal标准流程化模式分为三个步骤

1、通过Web浏览器登录fastone平台;

2、在Web界面新建任务、选择应用、配置资源;

3、在应用中选择journal文件(即Fluent脚本文件),输入所需资源和应用参数(如求解器精度),提交任务。

该种方式要求用户有能力自定义journal文件,即需要用户具有一定的编程基础。由于该高校科研组缺乏相应编程能力,fastone为其提供了Fluent应用图形界面提交方式。

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Fluent应用图形界面模式有四个步骤

1、通过Web浏览器登录fastone平台;

2、在Web界面新建集群、配置资源;

3、在已创建的集群点击WebVNC远程桌面图标(同时提供WebSSH远程命令行功能);

4、跳转到虚拟桌面,可在该桌面直接操作Fluent应用进行相应设置以提交任务。该种方式模拟出了Fluent的原生界面,用户更为熟悉操作环境,使用体验较好。

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平台还支持实时查看残差曲线,监控计算的收敛情况。

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实证场景四

用户模式

普通用户模式 VS 高级用户模式

上一个场景里的journal标准流程化模式就是通过Web浏览器选择新建任务、选择应用、上传文件,输入参数,配置资源等一系列向导式路径提交任务。

而对于高级用户,比如本身对应用工作流的理解和编程能力超强,可以不用走普通用户通过应用向导式提交的路径,可以直接根据自己写的脚本,通过Web浏览器选择新建集群,然后按需动态地在云端创建HPC集群。

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小结

1、Fluent任务能够在云端有效运行;

2、fastone能够快速获取大量云端算力,大幅缩短项目周期;

3、针对Fluent应用对节点间数据通信的高要求,选择网络加强型实例可以在云端达到很好的高效率并行性;

4、针对不同的用户,fastone提供多种任务提交方式以供选择,既支持journal标准流程化模式,也支持Fluent应用图形界面模式;

5、fastone平台支持实时查看残差图;

6、高级用户可以根据自定义脚本,直接在云端创建HPC集群。

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