王炳亮 李輝樂

(廣船國際技術(shù)中心)

0 前言

隨著計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展，CFD 軟件采用并行計(jì)算模式大大降低計(jì)算時間，但是并不是計(jì)算資源越多計(jì)算所需時間同比減少，這主要是受到并行效率的影響。并行效率隨著計(jì)算資源的增加遞減，當(dāng)并行效率降低到50%以下時，繼續(xù)增加計(jì)算資源反而會增加計(jì)算時間。另外考慮到使用的計(jì)算資源和節(jié)省的計(jì)算時間的性價比關(guān)系，本文推薦選用并行效率高于75%的并行模式。

不同網(wǎng)格量下，所需的計(jì)算資源及相應(yīng)的并行效率是存在差異的，網(wǎng)格量越大需要的計(jì)算資源也就越多，本文以STARCCM+為例，通過對幾種網(wǎng)格量下計(jì)算工況的計(jì)算分析得出在不同網(wǎng)格量下推薦的最佳計(jì)算資源數(shù)量（計(jì)算核數(shù)）。本研究計(jì)算在廣州天河超算中心提供的多CPU 服務(wù)器上完成，每個CPU 含 24 個核數(shù)，可稱 1 個CPU 為1 節(jié)點(diǎn)。

1 主要參數(shù)

1.1 選用船型主要參數(shù)

總長：183.20m

型寬：32.00m

設(shè)計(jì)吃水：11.00m

排水量：abt.47700.0t

航速：14.5kn

1.2 自航工況選用螺旋槳主要參數(shù)

槳徑：7100mm

葉數(shù)：4

旋向：右旋

轉(zhuǎn)速：79.51RPM

盤面比：0.4

類型：定距槳

螺距（0.7R）：5863.43mm

圖1 船體幾何模型

圖2 螺旋槳幾何模

圖3 計(jì)算域

表1 工況1 的并行效率和加速比數(shù)值表

表2 工況2 的并行效率和加速比數(shù)值表

表3 工況3 的并行效率和加速比數(shù)值表

表4 工況4 的并行效率和加速比數(shù)值表

表5 工況5 的并行效率和加速比數(shù)值表

2 計(jì)算域

計(jì)算域設(shè)置如下，速度入口距尾垂線2.5 倍船長，壓力出口距尾垂線2 倍船長，底面距基線2 倍船長，頂面距基線1 倍船長，側(cè)面距中剖面1 倍船長。

3 計(jì)算工況

本文對CFD計(jì)算軟件STARCCM+的全尺度靜水阻力模型和全尺度帶螺旋槳自航模型進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算工況如下：

VR技術(shù)具有打破時空、語言交流障礙限制的優(yōu)勢，中華傳統(tǒng)文化借助VR更易于向世界展示、傳播，出版作為文化傳播和傳承的重要載體，也可將VR技術(shù)引入，讓世界通過圖書加載VR/AR這一窗口了解博大精深，源遠(yuǎn)流長的中國文化。

工況1：110 萬網(wǎng)格阻力模型

工況2：235 萬網(wǎng)格阻力模型

工況3：560 萬網(wǎng)格阻力模型

工況4：650 萬網(wǎng)格自航模型

工況5：1135 萬網(wǎng)格自航模型

圖4 工況1 的加速比散點(diǎn)圖

圖5 工況2 的加速比散點(diǎn)圖

圖6 工況3 的加速比散點(diǎn)圖

圖7 工況4 的并行效率散點(diǎn)圖

圖8 工況4 的并行效率散點(diǎn)圖

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 工況1（110 萬網(wǎng)格阻力計(jì)算模型）的計(jì)算情況

從表1 和圖4 的結(jié)果中可以直觀看出，當(dāng)網(wǎng)格量為110 萬時，計(jì)算核數(shù)超過32 后，并行效率逐漸下降到75%以下，加速比增加緩慢，并在達(dá)到一定數(shù)值后出現(xiàn)降低情況（說明此時增加計(jì)算核數(shù)反而會加長計(jì)算所需時間）。此時，推薦使用的計(jì)算核數(shù)為32 核。

4.2 工況2（235 萬網(wǎng)格阻力計(jì)算模型）的計(jì)算情況

從表2 和圖5 中的結(jié)果可以直觀的看出，當(dāng)網(wǎng)格量為235 萬時，計(jì)算核數(shù)超過64 后，并行效率逐漸下降到75%以下，加速比增加緩慢，說明此時通過增加計(jì)算核數(shù)來節(jié)省計(jì)算時間的經(jīng)濟(jì)性較差。此時，推薦使用的計(jì)算核數(shù)為64 核。

4.3 工況3（560 萬網(wǎng)格阻力計(jì)算模型）的計(jì)算情況

從表3 和圖6 中的結(jié)果可以直觀的看出，當(dāng)網(wǎng)格量為560 萬時，計(jì)算核數(shù)超過128 后，并行效率逐漸下降到75%以下，加速比增加緩慢，說明此時通過增加計(jì)算核數(shù)來節(jié)省計(jì)算時間的經(jīng)濟(jì)性較差。此時，推薦使用的計(jì)算核數(shù)為128 核。

4.4 工況4（650 萬網(wǎng)格自航計(jì)算模型）的計(jì)算情況

從表4 和圖7 中的結(jié)果可以直觀的看出，當(dāng)自航模型網(wǎng)格量為650 萬時，計(jì)算核數(shù)超過128 后，并行效率逐漸下降到75%以下，加速比增加緩慢，說明此時通過增加計(jì)算核數(shù)來節(jié)省計(jì)算時間的經(jīng)濟(jì)性較差。此時，推薦使用的計(jì)算核數(shù)為128 核。

4.5 工況5（1135 萬網(wǎng)格自航計(jì)算模型）的計(jì)算情況

從表5 和圖8 中的結(jié)果可以直觀的看出，當(dāng)自航模型網(wǎng)格量為1135 萬時，計(jì)算核數(shù)超過128 后，并行效率逐漸下降到75%以下，加速比增加緩慢，說明此時通過增加計(jì)算核數(shù)來節(jié)省計(jì)算時間的經(jīng)濟(jì)性較差。此時，推薦使用的計(jì)算核數(shù)為128 核。

5 結(jié)果分析

5.1 阻力模型結(jié)果分析

通過以上計(jì)算結(jié)果，總結(jié)得出阻力模型在相應(yīng)的網(wǎng)格量最佳的計(jì)算核數(shù)及相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)的推薦值，如表6 所示。

由于并行網(wǎng)格的劃分特性，使用的計(jì)算核數(shù)最好為16 的倍數(shù)；為使節(jié)點(diǎn)充分使用，上表括號中數(shù)值為實(shí)際使用核數(shù)。從表6 可以看出推薦的計(jì)算核數(shù)和網(wǎng)格數(shù)基本呈線性關(guān)系，擬合上表得出公式：N=0.16*Q+32。其中，N：推薦使用計(jì)算機(jī)核數(shù)；Q：計(jì)算模型網(wǎng)格量（萬）。

船舶阻力計(jì)算網(wǎng)格量基本在100 萬到600 萬之間，所以本表適用于大部分情況，在進(jìn)行CFD 計(jì)算前可參考上述公式選取推薦的計(jì)算核數(shù)。

表6 阻力模型相應(yīng)的網(wǎng)格量內(nèi)的計(jì)算核數(shù)的推薦值

5.2 自航模型結(jié)果分析

自航模型網(wǎng)格量一般為600 萬到1200 萬之間，因此我們選擇了650 萬網(wǎng)格和1135 萬網(wǎng)格進(jìn)行了計(jì)算分析，得出在此兩個工況下，最佳的計(jì)算核數(shù)都為128 核，因此，在此范圍內(nèi)的自航計(jì)算中，推薦使用6 節(jié)點(diǎn)128（144）核。

6 結(jié)束語

本文的研究結(jié)論是基于Starccm+軟件，其他軟件的并行效率情況與Starccm+應(yīng)有不同，但具有共同的趨勢，本文的結(jié)論可作為其他軟件應(yīng)用的參考。