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    流體力學領域解決方案

    1.1. 計算需求

           隨著CFD技術的迅猛發展及其在軍、民飛行器氣動力設計中的廣泛應用,預測給定外形繞流的無粘CFD流場技術已非常成熟并成功應用于先進戰斗機的全機模擬中。一個典型的例子是美國的F-22飛機在試飛時出現垂尾抖振現象,風洞試驗研究未能準確確定其產生的根源,而CFD卻準確預測出這是由于進氣道產生的第二個分離渦拖出后掃到了垂尾造成的抖振,進而使設計人員能據此采取相應措施予以解

    決。

           CFD算法在1970~1985年期間發展迅速,之后發展相對平緩,特別是工程應用進展比較緩慢,僅僅是在提高計算解的速度上有了一定改進。改善CFD算法不僅要求提高計算速度還需要增加計算精度,從CFD發展歷史看,改善計算精度往往是以成倍增加計算時間為代價的。因此,必須均衡發展,提高計算精度而不增加時間是未來CFD算法的挑戰。

           CFD發展的最終目的是不用進行昂貴的地面試驗和飛行試驗就能驗證新的技術或新的飛機概念,能夠成為設計師在經濟可承受性范圍內精確預測氣動力、力矩和載荷的可靠工具。達到這一能力的主要障礙是對黏流流場物理現象的模擬能力,尤其是精確預測流動分離點和轉捩過程以及湍流流動。

           由于現代飛機涉及多學科的綜合,一些復雜的干擾現象根本無法用CFD來模擬,所以CFD難以取代風洞的作用,但對于衍生型飛機設計,CFD則可以顯著降低風洞試驗小時。

           由于CFD是一種典型的浮點計算密集型和內存密集型應用,其對高性能計算

    機的要求主要有:

    1) 具有很強的計算能力,尤其是浮點運算能力;

    2) 有較大容量的內存以使前處理和求解時數據能完全駐留在物理內存中,經驗表明,一般每個CPU至少分配2GB內存;

    3)要求具有支持高速、低延遲的通訊網絡。一般而言,100個節點以上的CFD集群要求采用性能更好的Infiband互連網絡,以滿足節點之間大量頻繁的通訊要求。

    1.2.解決方案

           高性能集群由若干臺高性能節點機、高速計算網絡連接到一起組成,并通過監控系統和一組集群管理軟件對其進行有序管理。集群的基本體系結構如圖所示,主要包括節點、網絡、存儲、監管和軟件等幾個部分。根據用戶對計算規模需求的不同,可以對節點、網絡和存儲等進行量身定制。

    1.2.1.    節點機

           節點機主要包括三類節點:計算節點、管理/登入節點和IO節點。

    計算節點要求:

     

       (1)有很強的計算能力,對CFD而言特別是浮點運算能力。

       (2)有適量的內存以使前處理和求解時數據能完全駐留在物理內存中。經驗表明,一般每個CPU至少分配1GB內存。

       (3)支持高速、低延遲的通訊網絡

       針對以上要求,我們推薦計算節點采用雙路英特爾至強處理器的LZ-2028SFPR2000高密度刀片系統,這兩種系統都具有極高的性能,非常適合用于構建高性能集群系統。兩個系列的處理器都更注重大內存容量支持和高帶寬內存訪問。同時在能耗控制方面也做了相當多的優化,可最大限度的降低TCO。

    IO節點

     IO節點由存儲設備、NFS文件系統等組成。IO節點作為NFS文件系統主節點,外掛磁盤陣列或者連接其它存儲設備,負責文件的I/O操作。其它節點包括計算節點和管理登入節點訪問存儲設備的請求都要通過I/O節點完成。

    管理/登錄節點

           管理/登入節點是外部設備和集群系統之間連接的橋梁,任何用戶和系統的管理員都只能通過管理/登入節點才可能登陸到節點機子系統上,事實上,管理/登入 節點是一個多種身份于一身的節點,它具有登入、管理和作業提交等功能。

    1.2.2.    網絡

           網絡系統特別是計算網絡的性能很大程度上影響著整個系統的性能。由于并行計算時的數據通訊和NFS文件系統的數據傳 遞對網絡的要求較高,為了管理、監控等操作不對計算通訊和文件IO操作產生任何干擾,本方案設計了兩套網絡系統,實現雙網分離、專網專用,保證了系統的高 效性。同時,兩套網絡又起著相互備份的功能,當其中一套網絡由于某種故障癱瘓時,另一套網絡就會擔負起其功能,提高了系統的可靠性。

           兩套網絡包括計算網絡和管理網絡。計算網絡宜采用高速的互連網絡,目前可選擇Infiniband。管理網絡對則使用千兆以太網。

       對于較大規模的集群系統,還可單獨設置數據傳輸網絡,將計算過程中的數據傳輸與個節點之間的通訊分離開,避免相互干擾。這對于非穩態、有大量中間 數據需要保存的CFD應用而言尤其重要。數據傳輸網絡一般采用千兆以太網,根據需要還可以在IO節點上進行雙網卡綁定以提高數據傳輸帶寬。

    1.2.3.    存儲

       目前根據應用規模的不同,存儲的解決方案有三種選擇:直連式存儲DAS、網絡接入存儲NAS和存儲區域網絡SAN。DAS主要適合于構建小型存儲系統,NAS適合于投資規模不大的部門級存儲,而SAN造價昂貴,性能突出,適合于企業級、要求擴展能力強的存儲。

            存儲服務器方式的系統簡單易維護,系統由I/O節點、磁盤陣列和NFS文件系統等組成。為了保證性能,可單獨設 置I/O節點(也可與管理/登入節點合并以節省投資),所有計算節點通過NFS文件系統和I/O節點,即可象訪問本地文件一樣訪問保存在存儲設備上的數據。

     
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