Xcompact3D：高性能计算中的开源湍流框架

软件X 12（2020）100550原始软件出版物Xcompact3D：一个在笛卡尔网格上解决湍流问题的开源框架Paul Bartholomewa，Georgios Deskosb，Ricardo A.S.放大图片作者：Franczc.Schuchc，Eric Lamballaisd，Sylvain Laizeta，a英国伦敦帝国理工学院航空系，伦敦，SW7 2AZb国家可再生能源实验室，戈尔登，CO 80401，美国c巴西阿雷格里港南里奥格兰德天主教大学技术学院d普瓦捷大学，法国国家科学研究中心，ISAE-ENSMA，Institut Pprime，F-86962 Futuroscope Chasseneuil，法国ar t i cl e i nf o文章历史记录：收到2019年收到修订版2020年2月25日接受2020年保留字：高阶有限差分湍流直角网格高性能计算计算流体力学a b st ra ctXcompact 3D是一个Fortran 90-它是一个进化的流动求解器In-compact 3D，最初是在法国设计的90年代中期的串行处理器，以解决不可压缩的Navier-Stokes方程。Incompact3D随后在2010年初被移植到并行高性能计算（HPC）系统。 最近，Incompact3D的功能得到了扩展，现在可以处理更多的流态（从不可压缩流到低马赫数下的可压缩流），从而设计了一个名为Xcompact3D的新的用户友好框架。本手稿介绍了Xcompact3D的概述，特别关注其功能，其随时运行的模拟和一些案例研究，以证明其影响。©2020作者由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本3.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX_2019_357法律代码许可证GNU通用公共许可证（GPLv3）使用git的代码版本控制系统使用的软件代码语言、工具和服务Fortran90、MPI编译要求，操作环境依赖性GNU Fortran，Intel Fortran编译器，Cray Fortran编译器，PGI Fortran编译器如果可用开发人员文档/手册链接问题支持电子邮件s. imperial.ac.uk1.动机和意义理解、预测和控制湍流是至关重要的，也是限制各种工业和科学努力的因素。它仍然是科学中最具挑战性的问题之一。此外，许多工程和工业系统的设计以及预测*通讯作者。电子邮件地址：s.laizet@ imperial.ac.uk（S. Laizet）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2020.100550它们对环境的影响在很大程度上取决于流体流动的湍流行为是否得到适当的量化。虽然Navier-Stokes方程构成了广泛接受的描述涡轮运动的数学模型，但是，由于湍流的混沌和固有的多尺度性质，获得它们的解可能是非常具有挑战性的。湍流尺度通常覆盖几个数量级，需要大量的计算能力和内存 来解决由于最近计算资源的急剧增加，湍流的高保真模拟，即直接和大涡模拟（DNS/LES），2352-7110/©2020作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx2P. Bartholomew，G.Deskos，R.A.S.Frantz等人粤ICP备15051550号-1ˆ·图1.一、 Xcompact3D软件体系结构图，黄色背景表示Xcompact3D的主要功能。还显示了外部后处理工具Py4Incompact3d。(For为了解释该附图图例中对颜色的引用，这篇文章的网络版本绝大多数的湍流尺度都得到了解决，已经成为一种广泛使用的湍流预测技术，计算流体动力学（CFD）现在是对实验和理论的重要补充。实现了一种高保真SIM卡的数字编码2. 软件描述Xcompact 3D中描述的湍流由Navier-Stokes方程控制湍流的模拟需要广泛的专业知识Dρ伊苏岛包括数值方法和计算机科学。正确地为给定的流设置模拟需要类似的专业知识。Xcompact3D框架的一个主要动机是DT = −ρxi中文（简体）（一）提供一种工具，可以使用“现成的”xj= 0（2）湍流的高质量模拟。 进一步推动DT1双头TXcompact3D（néIncompact3D[1，2]）的开发是为了ρDt =RePrxκx（三）整合了过去几年开发的Incompact3D的众多版本，并为杜iJ宾馆（1）J1天解决方案，同时使其更加用户友好和灵活。作为笛卡尔网格求解器，Xcompact3D在CFD社区中有明确的存在理由其独特的功能是其准确性，效率，可扩展性，独立于MPI库之外的外部库，用户友好性和可定制性。特别是，为CFD经验有限的用户提供了即用型模拟，以及在新设置中运行模拟所需的唯一 输入文件模板。 编译非 常快速和简单， 只有一个Makefile，不依赖于外部库（MPI除外）。模拟的数值参数（域大小、网格节点数、核数等）可以很容易地更改，而无需重新编译代码。 这篇手稿 正是集中在这 些方面。 第二部分介绍 了Xcompact3D的软件体系结构，包括并行计算策略、功能、主要特点和可扩展性。随后，第3节和第4节列出了说明性实例和影响案例研究。最后，在第5节中简要讨论了结论和未来的方向。ρDt =−xi+Rexj+ρgi（4）p（0）=ρT（5）其中ui是速度矢量，p是压力，ρ是密度，T是温度，τij是粘性应力张量，κ是热扩散系数，D（）/ Dt是材料导数。Re是雷诺数，一个定义为惯性力和粘性力之比的无量纲数，它决定了要模拟的湍流尺度范围同样，普朗特数Pr是一个无量纲数，定义为动量与热扩散率之比。如（1）-（5）所示，前者在空间上是恒定的，这允许对来自声学传感器的声压波进行滤波解，而机械压力表现为不可压缩流的压力场;有关详细信息，请参考[3 该公式允许Xcompact3D处理0 ≤ M ≤ 0范围内的变密度流动。3P. Bartholomew，G.Deskos，R.A.S.Frantz等人粤ICP备15051550号-13D−表1二阶和六阶格式的离散算子（微分、插值和滤波）及其系数表其中M是马赫数。在密度不变的情况下，它简化为不可压缩流的控制方程。此外，Xcompact3D还支持通过以下公式使用多个标量场进行模拟Dφs1米直径φsρDt=ReScsxiDsxi（6）其中φ是标量，标量扩散系数，Sc是施密特数，定义为运动粘度与质量扩散率之比，下标s是标量计数器。2.1. 软件构架框 架 的 模 块 化 结 构 概 述 见 图 1 。 Xcompact3D 是 围 绕 2DDecomp& FFT库[2，6]构建的，该库旨在实现2D铅笔分解（如图所示）。2（a））用于分布式存储器平台上的数据分发。该库还提供了一个高度可扩展和高效的接口来执行三维分布式快速傅立叶变换，用于求解泊松方程（在LMN或不可压缩近似的Navier-Stokes方程中需要）。方程1 - 5在笛卡尔网格上用高阶紧致有限差分格式求解，并采用基于投影法一般原理的传统分步策略[7，8]。由于高雷诺数流动的DNS由于其计算成本而通常是不可能的，所以LES可以用隐式方法来执行，其中子网格完整性，即标准Smagorinsky模型及其所谓的动态版本（更多细节见[11]和[12]）。对于相对复杂的几何形状周围的流动，使用定制的浸没边界法（IBM）[13]。最初由[14]提出的IBM对于笛卡尔网格非常有吸引力，避免了复杂的贴体方法及其相关的简单性损失和计算成本增加。最后，请注意，有一个新的Python库用于数据的后处理，Py4Incompact3d，它基于与Xcompact3D相同的方案。12.2. 高阶有限差分格式与谱Poisson解与更传统的低阶格式相比，DNS/LES高阶格式的优越性能现在已得到充分认可，特别是关于它们在给定空间分辨率下准确捕获更宽范围湍流尺度的能力基于傅立叶或切比雪夫表示的标准谱方法另一方面，高阶紧致有限差分格式接近谱方法的精度，并且在边界条件的选择上具有更大的灵活性（在Xcompact3D中，可以使用周期性，Dirichlet和Neumann边界条件）。虽然紧致格式在空间上是隐式的，但与更先进的谱格式相比，它们在计算效率方面具有很强的尺度（SGS）应力张量建模使用数值耗散，[9，10]。 不同的显式SGS模型也可用于1此框架可以在这里找到。4P. Bartholomew，G.Deskos，R.A.S.Frantz等人粤ICP备15051550号-1× × × × ××图二. 使用1025的Xcompact3D的铅笔分解和缩放行为10251025（圆圈），409710251025（正方形）和409740974097（菱形）网格节点用于强缩放;每个核1百万个网格节点用于弱缩放。颜色对应于计算机：黑色- MareNostrum，红色- ARCHER，蓝色- HAZEL HEN;黑色虚线表示理想的缩放行为。(For在该附图图例中，读者可以理解颜色的含义，请参阅本文的网页版本为贴体网格设计的单元方法（更多细节见[15，16]表1概述了Xcompact3D中使用的紧凑方案。速度场信息在主网格（交叉节点）上，而压力场信息在半交错网格（点）上，见表1中的插图。根据模拟的类型（ILES的超粘性方案，DNS和显式LES的其他方案），表1中给出了各种二阶导数方案。滤波方案仅用于动态Smagorinsky模型的显式LES。对于小尺度具有不同性质的各种六阶插值方案是可用的，但建议使用优化方案，因为它可以在LES的上下文请注意，为了完整性，还提供了更传统Xcompact3D通过分步方法[7，8]推进控制方程，通过取动量方程的散度形成压力的泊松方程。该操作采用表1中给出的插值一阶导数，以便在检查非压缩条件的控制体积中心（插图中的圆形节点）评估压力，然后通过反向操作评估用于校正速度的压力梯度;进行这种部分交错是为了防止虚假振荡[1]。Xcompact3D的主要创新之一是使用修改波数的概念在谱空间中求解泊松方程[17]，物理空间中的操作严格等同于谱空间中的操作。这种避免使用昂贵的迭代技术的直接策略对于速度场的周期性和/或自由滑动边界条件[18]，但过去未将其用于结合高阶有限差分格式的Dirichlet边界条件[1]。2.3. 时间推进流场可以通过初始条件（图1中的init_xcompact3d）初始化。1）或通过加载重新启动文件。Navier-Stokes方程通过分数步方法在时间上推进，分4个首先，对右侧项进行数值计算，如图1中的calc_transseq_rhs。 1和时间积分（例如，Runge-Kutta或Adams- Bashforth格式），生成中间速度场，图中的int_time。1.一、然后通过求解泊松方程来计算压力场，泊松方程是从计算中间速度场的散度获得的，等于压力场梯度的散度，图中的solve_Poisson。1.一、最后，通过将压力梯度添加到中间速度场来计算更新的速度场，图中的cor_vel。1.一、在一个时间步结束时，用户可以决定存储哪些量（图1中的后处理）。①的人。2.4. 2D Decomp FFT库有限差分格式和谱泊松求解器employed由Xcompact3D自然分解成一系列的一维子问题。因此，很自然地，可以使用如图所示P. Bartholomew，G.Deskos，R.A.S.Frantz等人粤ICP备15051550号-15=-=图三. 雷诺数下泰勒-格林涡模拟的结果1，600（顶行，参考数据[10]为黑色），在DNS设置和Re中10，000（底部行，参考DNS数据[10]）。在图中，X3 D-O2对应于使用传统二阶方案产生的DNS数据，X3 D-SS对应于标准Smagorinsky模型，X3 D-DS对应于其动态版本，X3 D-iSVV对应于隐式方法。(For对于图中颜色的解释，请读者参考本文的网络版本图2（a）.每个分解（分别在x、y和z轴上）允许导数/插值/滤波的独立计算。从一个铅笔切换到另一个铅笔的全局换位是用MPI命令MPI_ALLTOALL（V）执行的。2D Decomp& FFT库还提供了一个并行I/O模块，以帮助Xcompact 3D使用MPI-IO处理大型数据。关于Xcompact3D中实现的并行计算策略的更多细节可以在[2]中找到Xcompact 3D的可扩展性最近已经在各种Tier-1/0超级计算机ARCHER、MareNostrum和HazelHen上进行了测试，模拟大小超过680亿个网格节点。在DNS设置中雷诺数非常高（10，000）的情况下，获得了泰勒-格林情况（详见下一节）的可扩展性图。Xcompact3D显示非常好的强大（见图。2（b））和弱（见图。2（c））跨三个HPC平台和多达100，000个计算核心（每个核心一个MPI进程）的缩放属性。尽管有大量的全局通信（每个时间步长高达70个），但可扩展性非常好，除非每个核心的网格节点数量太少，并且小通信的成本主导了计算。3. 说明性实例示例应用程序在examples/目录下的Xcompact 3D源代码中定义。这些演示了框架的不同方面的使用，并允许新用户立即开始使用Xcompact3D，即使他们不熟悉框架及其数值方法。在本节中，我们将展示其中的四个示例，以说明如何使用Xcom-pact3D来解决众所周知的CFD基准测试。每个案例包括在examples/CASE>/input.i3d中指定的运行时设置，用户可以很容易地修改这些设置;在src/BC-CASE>. f90中实现特定情况的边界/初始条件、源项等的Fortran代码，必须进行编译。请注意，为用户提供了一个特殊的用例USER所描述的每种情况的输入文件可以在源存储库中找到，也可以在此处下载，其中包含用于生成本节中的图表的请注意，如果用户不知道如何定义参数，默认值在src/parameters.f90中定义，因此这应该不是问题运行模拟，即使输入文件中没有定义某些参数。3.1. Taylor–Green泰勒-格林涡（TGV）是计算流体动力学中的作为一个测试案例，它很有吸引力，它的简单设置，有可能使用周期性和自由滑 动 边界 条 件 的组 合 。 案例设置的更 多 细节 可 以 在相 应 的input.i3d文件中找到。DNS案例是在伦敦帝国理工学院基于CPU的集群上执行的（参见此处的性能），使用32个核心，持续30分钟（20，000个时间步），而LES案例是在同一集群上的64个核心上执行的，持续约2小时（40，000个时间步）。图3给出了动能及其耗散随时间演变与参考数据[10]的定量比较。对于Re为1，600的DNS情况，6阶紧致格式与[10]的结果非常一致，而2阶格式则显示出一些差异。6P. Bartholomew，G.Deskos，R.A.S.Frantz等人粤ICP备15051550号-1====见图4。 Re τ条件下槽道流速度统计的比较 =180，参考数据为[19]（×）和[20]（+）-顶行;对于流过圆柱体的流量，下游几个站Re=300，与参考数据[21]（下）-底行比较。与传统的二阶格式相比，它清楚地表明了高阶格式在给定的空间分辨率下捕捉更大范围湍流尺度Re的LES结果10，000表明隐式模型能够以再现[10]中已经报道的流动的主要特征。然而，显式LES模型很难再现DNS数据，特别是动能耗散。最后请注意，显式LES结果与[10]中获得的结果不同（模型的常数和版本3.2. 通道流和圆柱体流典型的槽道湍流和圆柱体绕流是有充分文献证明的CFD基准，在理论、实验和数值上都得到了广泛的研究。从模拟的角度来看，与这些流动相关的主要挑战与计算域中存在的壁有关，无论是在通道流 动 的 边 界 处 ， 还 是 浸入 圆 柱 体 流 动 的 计 算 域 内 。 为 了 演 示Xcompact3D处理壁面边界流和浸没边界流的能力，1 8 0 （基于通道的半高，壁面处的摩擦速度）和Re下流过圆柱体的流动300（基于圆柱体的直径D和自由流速度），并与参考数据进行了比较。这两个模拟的数值参数可以在相关的输入文件中找到。 在具有512个计算核心的ARCHER上执行通道情况6小时（300，000个时间步），而在具有512个计算核心的ARCHER上执行圆柱体情况60分钟（160，000个时间步）。一些结果如图所示。四、可以看出，获得了与参考数据的非常好的一致性。通道流的一阶和二阶矩，以及圆柱体下游速度的平均和波动流向分量。3.3. 锁交换流最后，作为Xcompact3D变密度流能力的一个例子，研究了重力流的著名船闸交换情况，并将数据与[23]的数据进行了比较。模拟在帝国的集群上进行，有512个计算核心，持续12小时（100，000个时间步长）。在这一套里-向上，均匀悬浮的颗粒沉积物被封闭在由具有清澈流体的闸门隔开的域的一小部分中。当门被移除时，流程图见图1。5（a）重力流在远离其初始水库时发展出高度三维湍流。当研究浮力驱动的流动时，例如重力流，经常使用Boussinesq近似，仅当密度变化很小（通常小于1%）时才允许使用不可压缩公式当密度变化较大时，需要使用低马赫数解算器（非Boussinesq情况）。[ 23 ]的参考数据用于验证Boussinesq极限中的设置，并且发现能量预算的良好比较如图所示。5（b）. 在有限的数据比较下，非Boussinesq情形的能量收支用密度比ρ2/ρ10表示. 7在图5（c）中，注意总能量守恒。P. Bartholomew，G.Deskos，R.A.S.Frantz等人粤ICP备15051550号-17图五. Boussinesq和非Boussinesq情况下的重力流和能量收支演变的3D快照，能量收支的分量用颜色表示（更多细节可以在[22]中找到）。将Boussinesq能量收支（实线：当前结果）与[23]的数据（虚线）进行比较线）。4. 影响Xcompact 3D专用于DNS/LES，将工业代码的可逆性与基于光谱方法的最佳学术代码的准确性（最准确的代码）相结合。它最近已在世界范围内用于各种项目，包括重力流的主要特征的研究[22，26，27]，主动和被动减阻技术的性能分析[28下文更详细地重点介绍了两个影响案例研究4.1. 分形生成湍流最近，实验室和计算工作使用多尺度/分形对象来产生湍流，并表明复杂的多尺度边界/初始条件可以显著影响湍流的行为[39分形几何是一个概念，其中一个给定的模式是重复的，并分为部分，每一个都是一个整体的减少副本，见图6为分形正方形网格。多尺度物体可以被设计成浸入任何流体流中，其中需要被动地控制和设计由物体产生的湍流他们提供了发现新的复杂流动效应的机会，有助于理解如何管理复杂的流体流动。分形物体产生的流的第一个DNS是在近十年前使用Xcompact3D进行的[44，45]，并且允许发现空间尺度展开（SSU）机制，作为一种显着改善湍流搅拌的方法[46，47]。4.2. 风电场模拟器现代风力发电场由多个涡轮机组成，这些涡轮机聚集在一起，以 实 现 从 给 定 地 点 大 规 模 提 取 能 量 。 Turbine–turbineinteractions through wake interference, 为 此 ， 开 发 了 基 于Xcompact 3D的风电场模拟器（WInc 3d），通过对涡轮机尾流和环境大气湍流进行高保真度、分辨率解析模拟来研究此类涡轮机-涡轮机相互作用[ 48，50 ]（见图10）。 6 ）。 此外， 还证明了在Xcompact3D中实施的隐式LES方法完全能够再现实验室规模涡轮机尾流的主要特征，并有可能研究各种控制策略和操作场景[50]。8P. Bartholomew，G.Deskos，R.A.S.Frantz等人粤ICP备15051550号-1≈=见图6。（ 左）虚 拟 风 电 场 中 的 尾流间 相互作用[48]。（右）分形正方形网格下游产生的湍流[47]。5. 结论和未来方向在本文中，我们已经展示了Xcompact3D如何能够 可以用来模拟大范围的湍流。这个原始的框架可以在笔记本电脑上用于简单的流配置，但也可以在世界上最强大的基于CPU的超级计算机上用于大规模模拟。它的用户友好性、简单性、多功能性、准确性、可扩展性、可移植性和效率使其成为CFD社区非常有吸引力的工具。该框架的下一个计划的主要发展是将Xcompact3D移植到基于GPU的超级计算机上。此外，我们目前正在研究一个自由表面求解器来模拟竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作确认作者 要感谢 EPCC 资助 这项工 作的一 部分计 算时间 由 UKturbulence consortium [授权号EP/L000261/1和EP/R 029326/1]提供， 由PRACE [授权号2010 PA 5024 和2018184381]提供， 由TGCC根据GENCI的分配2014/2015- 2a 0912提供。帝国理工学院研究计算服务和南里奥格兰德天主教大学的高性能设施LAD提供了额外的计算时间。财政司司长获Petrobras S.A.支持。部分资金来 自 Coordenação de Aper- feiçoamento de Pessoal de NivelSuperior - Brasil（CAPES）-财务代码88887.154060/2017-00。GD希望获得英国EPSRC的资助[授权号EP/R 007470/1]。最后，作者要感谢Christiane Vassili-cos教授和Jorge Silvestrini教授在过去15年中提供的宝贵财政和科学支持。引用[1]Laizet S，Lamballais E.不可压缩流的高阶紧致格式：一种具有准谱精度的简单有效方法。 JComput Phys2009;228（16）：5989-6015.[2]李宁. 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