17、高性能计算在水轮机CFD中的应用与OpenFOAM性能分析

高性能计算在水轮机CFD中的应用与OpenFOAM性能分析

1. 谱分割迭代算法进展

在谱分割的迭代计算中，有两种无逆迭代的变体算法，它们能将传统迭代方案的理论成本降低32%。其中，第二种变体算法大部分计算基于Level - 3 BLAS操作，明显优于传统算法。从n = 500开始，例程dggdfsh在不同架构和问题规模下，始终比dggdfsp的性能高出20 - 40%，每次迭代的浮点运算次数为13.3n³次。这两种新算法成本的降低，缩小了无逆迭代与其他成本更低的谱分割数值工具（如通过牛顿迭代的符号函数或QZ算法）之间的计算成本差距。

2. CFD对高性能计算的需求

近年来，由于诸如大涡模拟等与时间相关的模拟以及对更复杂工业流动的建模，计算流体动力学（CFD）对高性能计算（HPC）资源的需求急剧增加。典型的时间相关模拟需要大量CPU长时间运行（从数周到数月）。工业工程师们模拟的流动越来越复杂，对细节的关注度也越来越高，比如在几何形状上呈现所有细节。而这一切都离不开以Linux集群形式存在的具有成本效益的HPC资源。

3. 水轮机领域与HPC需求

在瑞典，50%的电力由水力发电产生。随着许多瑞典发电厂逐渐老化，大规模的翻新即将到来。由于近几十年来数值方法和计算机能力的发展，CFD在很大程度上被用作水轮机设计工具。

水轮机的作用是从流经转轮的水流中提取能量，可用功率由尾水和水头水的高程差、水的质量流量和重力决定。在反击式水轮机中，水流带着旋流进入转轮，转轮的设计是在水进入尾水管之前消除旋流，尾水管是一个扩散器，用于恢复静压并将水引向尾水。

水轮机的HPC需求巨大，原因如下：
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