基于GPU的分布式并行CFD计算方法

作     者：丁一丹 吴之南 范志君 潘雅欣 汪龙飞 DING Yidan;WU Zhinan;FAN Zhijun;PAN Yaxin;WANG Longfei

作者机构：上海飞机设计研究院上海201210 

出 版 物：《民用飞机设计与研究》 (Civil Aircraft Design & Research)

年 卷 期：2024年第2期

页      面：33-43页

学科分类：081203[工学-计算机应用技术] 08[工学] 0835[工学-软件工程] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主　　题：CFD GPU并行计算 CUDA MPI 分布式 

摘      要：计算流体力学(computational fluid dynamic,简称CFD)是一种通过数值求解控制方程来模拟流体的流动和热传导的方法。在民用飞机设计中,CFD被广泛应用于翼型设计优化、风洞试验验证、全机气动布局优化和燃油消耗评估等领域。这些问题涉及复杂的湍流、反应流和多相流,涉及到大网格量级计算和大批量状态计算,因此需要大量的计算资源。为了提高计算效率,提出了一种基于图形处理单元(graphic processing unit,简称GPU)的分布式并行计算方法。该方法利用统一计算设备架构(compute unified device architecture,简称CUDA)和消息传递接口技术(message passing interface,简称MPI),在GPU上进行并行计算,并使用MPI在多GPU之间进行通信。该方法实现了计算任务和数据传输的并行化,并进行了多流并行优化和非阻塞通信优化,实现了GPU之间的负载均衡。同时将该方法应用于超音速平板流这个典型的CFD案例中,与CPU串行计算相比,单GPU获取了204倍的加速比,4GPU实现了近640倍的加速比,两节点8GPU获得了900倍以上的加速比。这表明该方法具有较好的并行效率和计算性能,在一定程度上解决了CFD应用的计算资源需求问题。