超级计算机实现创纪录的飞机湍流模拟

　　佐治亚理工学院的一个团队正在研究简化环境下的湍流物理，旨在提高人们对自然和工程的理解。

　　这项新研究利用一台超大规模计算机Frontier，以高达35万亿个网格点的创纪录分辨率引入了新的湍流模拟能力。

　　佐治亚理工学院丹尼尔-古根海姆航空航天工程学院教授P.K. Yeung在一份声明中说：“在许多科学领域，人们认为这种规模的计算是不可能的，但现在我们做到了，也许比预期的还要早。”

　　近期，Frontier超级计算机帮助橡树岭国家实验室（ORNL）的研究人员解开了长达十年的钙-48磁性之谜。

　　前沿技术为模拟提供动力

　　流体湍流在时间和三维空间的不同尺度上产生不规则的波动，是一个复杂的科学问题，也是高性能计算的一大挑战。

　　虽然技术不断进步，但对湍流的理解仍然充满挑战。由于其不可预测性，巨大的波动会对自然和技术系统产生有害影响，因此对其进行研究至关重要。

　　直接数值模拟（DNS）可以精确求解质量和动量方程，是研究湍流最有效的方法。然而，DNS 需要大量的处理能力，尤其是在进行高分辨率模拟时。

　　自21世纪初以来，处理能力迅速提高，使研究人员能够以更高的分辨率运行模拟，特别是对于直接的流体流动场景。

　　当Frontier 开始运行时，佐治亚理工学院的团队可以在ORNL使用它。此外，美国能源部科学办公室的INCITE计划也提供了大量的计算机使用时段。快速计算图形处理单元（GPU）是Frontier的主要动力来源。

　　Frontier由AMD CPU和GPU组成，通过HPE的Slingshot互联在网络中连接。这些模拟所使用的分辨率大大超过了之前的纪录，为湍流研究开辟了新的可能性，特别是在更精确地解析较小尺度方面。

　　湍流建模

　　研究重点是利用三维快速傅里叶变换（FFT）的直接数值模拟（DNS）来模拟流体湍流，这是一个高度资源密集型的过程。DNS在应用于周期立方体等简化几何图形时最为有效，是研究小尺度湍流的理想工具。

　　与以前的系统相比，Frontier的高计算能力可实现更高效的模拟，减少CPU和GPU内存之间的数据移动需求。

　　该研究强调了湍流模拟的进步，分辨率达到了35万亿个网格点。32768³分辨率下的模拟网格点数是之前纪录的5.6 到 8 倍。

　　研究人员称，这种高分辨率使湍流研究取得重大进展成为可能。它可以处理复杂的现象，如混合、化学反应、粒子运动和磁场，并使小规模建模更加精确。

　　研究的目标是在解决数据传输问题的同时，有效地将模拟扩展到数千个前沿节点。软件和硬件的未来发展可能会进一步改进这些模拟。

　　GESTS代码套件是专为Frontier 开发的，它可以模拟极端尺度的湍流，并在未来的粒子跟踪和标量传输中具有潜在的用途。

　　该团队声称，他们在湍流模拟方面的工作也展示了先进GPU编程的关键原理，这对其他领域，特别是那些依赖伪光谱方法的领域可能很有价值。

　　Yeung表示，通过与美国国家科学基金会支持的约翰·霍普金斯大学湍流数据库项目合作进行公共数据共享，研究团队的极端规模模拟的科学影响有望得到进一步加强。 （逸文）

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