CART3D并行计算研究



CART3D并行计算研究

CART3D核心技术由NASA Ames研究中心开发，包括几何输入，表面处理和相交，网格生成及流动模拟等功能，其主要的作者是Aftosmis。CART3D曾作为一个模块集成在ICEMCFD14之前的版本中，但在后来，ANSYS放弃了该模块的商业授权，转而由美国另外一家公司（DesktopAeronautics）接手，目前CART3D有两个分支，其一是原来的CART3D版本，最高版本为1.4.7，DA公司开发的是GoCART，最高版本为2.0，支持IBL（Interactive Boundary Layer），暂时还未放出。与CART3D不同，GoCART在原来的求解器的基础上增强了软件的稳定性和易用性，前（有自带的RAGE(RapidAerospace Geometry Engine)和开源的OpenVSP）、后处理（Tecplot）也更加方便。

      CART3D之所以计算速度快，并不仅仅是因为他求解的是Euler方程，还有两个方面：1、多重网格加速技术；2、并行技术（OpenMP和MPI）。其中MPI的版本好像没有对外流出，只有符合条件的人才能拿到。而基于OpenMP本地共享内存式并行的版本是可以用的，根据官方文档的说法，CART3D求解器就是以支持OpenMP方式编译的。

以气动力计算标准算粒OneraM6机翼的计算为例进行说明，主要是两个方面：1、CART3D的计算精度，包括不同站位处的压力分布和流场的细节，如激波捕捉等；2、并行计算的效率（由于计算机硬件的原因，仅以单核和双核做了对比）。

计算状态：MA=0.85，攻角=3.06°，侧滑角beta=0°。来流温度T=288.15K，压力P=101325Pa

图多重网格准备

图多重网格与OpenMP并行计算

图多重网格串行计算

 

网格数目：37w	CASE1：MG=3，OMP_NUM_THREADDS=2	CASE2：MG=3，OMP_NUM_THREADDS=1
计算100步 所需时间	256.934/proc	318.367/proc
计算结果	FX=-3.74781344e-003 FY=3.12423168e-001  FZ=1.50435824e-002 MX=-2.04893594e-001 MY=-2.24868450e-002  MZ=1.92676629e-001 Res= 1.04357494e-003	FX=-3.74979971e-003 FY=3.12432203e-001  FZ=1.50438586e-002 MX=-2.04900818e-001 MY=-2.24881778e-002  MZ=1.92684683e-001 Res= 1.04281934e-003

 

从上表可知，两种情况下计算结果很接近，从效率上说OpenMP并行计算比串行效率高出约23%，并没有达到理想状态100%线性加速的效果。影响因素可能是多方面的，比如测试环境的不纯净，核数差别不大等。

图压力系数CP云图

从CP云图可知，激波位置捕捉的很好。

图力和力矩收敛曲线

缺失部分：不同站位的cp分布曲线及与实验值的对比。

结论：CART3D计算速度快，精度较好。对于工程研制单位来说，是非常有帮助的CFD计算工具，不论是气动数据配套计算，还是用于自动化的多学科优化。当然除了快之外，CART3D还支持批量化的数据计算，这对于工程研制单位来说是必不可少的。此外，CART3D还有6DOF投放功能，为其加分不少。