【JY】45天缩短到4天，突发性Fluent仿真任务怎么破？

CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学)利用计算机解决工程流体流动问题是一种方法数值计算可以模拟实验中难以满足的真实条件和理想条件，通过计算机解决流体流动过程中的质量传递、能量传递、动量传递和化学反应问题。。

Fluent被认为是应用最广泛的CFD应用了。2006年5月正式成为Ansys共享先进家庭的重要成员Ansys公共CAE技术。

数值计算方法有几个困难：

1.很大程度上依赖经验和技能；

2.数值处理方法可能导致计算结果不真实；

由于涉及大量的数学计算，对计算资源的需求很高。随着物理建模的不断完善，数值模拟的分辨率越来越高，对计算能力的要求也越来越高。

解决问题的规模越来越大，网络当格数上升到数千万甚至数亿时，如何让它上升？Fluent模拟任务在更短的时间内迭代收敛？

面对无休止的计算需求，我们主要在第三点发挥作用。

今天，让我们通过实证来看看如何实现它。

用户需求

某大学实验室使用Ansys Fluent进行基于化学反应模型CFD流体仿真，因为科研项目需要结束，所以需要结束一周内完成10多个case的运算。

该实验室有80核本地资源，通常情况都是单机跑，没有集群环境。根据以往的经验，需要完成这组任务花费至少45天才能完成。

实验室老师也考虑过使用超算。

但一方面，超级计算的使用阈值相对较高，应用程序需要用户配置，不能打开盒子，他们更习惯于拖动图形界面操作。

另一方面，实验室迫切需要能够在短时间内使用大规模的计算能力资源，而超级计算不是那么快，需要等待。

我们从整体规模、使用体验、计费方式、商业门槛、更新周期、合作生态、云支持七个角度对超计算和云计算进行了全面比较。如果你感兴趣，你可以看看《经过近40年的国内超算发展，终于遇到了像样的对手

实证目标

1、Fluent任务能否在云中有效运行？

2、fastone能够短时间内获取大量算力资源，大幅度缩短项目周期？

3、Fluent云同样适用于应用的高效并行性吗？

4.对于擅长编程和不擅长编程的用户，fastone能否提供不同的操作方法？

5、fastone平台能否支持实时查看残差图？

实证参数

平台：

fastone企业版产品

应用：

Ansys Fluent 20.20

操作系统：

CentOS 7.6

适用场景：

产生油/气能和环境应用

航天和涡轮机械的应用

汽车工业的应用

热交换应用

电子/HVAC应用

材料处理应用

建筑设计与火灾研究

云硬件配置：

Ansys Fluent2016年，他一直声称自己支持高效的并行计算功能CRAY和HLRS超算创造了世界纪录，将Fluent计算机核心扩展到1.72万多个。

基于有限单位法的CFD类计算，特别是在选择隐式格式和耦合算法时，在不同的计算节点上并行计算，需要在每个迭代步骤节点之间进行大量的数据交换。因此，节点之间的数据通信就显得尤为重要。

Fluent通过内置MPI并行机制通过扩大计算资源规模，大大提高可扩展性，在最短的时间内给出高精度的计算结果。

在当地或超算环境中，更有效的解决方案是IB-Infiniband。

针对这一特性，我们分别在云端选择了计算优化型实例和网络加强型实例进行验证。

调度器：

Fluent原生只支持LSF/SGE/PBS平台通过调度器Slurm Wrapper可以支持所有方式。

关于这一点，下次再细说。

这篇文章《亿万打工人的梦想:16万CPU基于这四个主流调度器，我们将与您一起使用：LSF/SGE/Slurm/PBS以及他们的演化版进行了梳理和盘点。

技术架构图：

实证场景一

云扩展验证

理想值 VS 云计算优化实例

结论：

1.在云中使用计算优化实例。当调度资源低于480核时，云具有良好的可扩展性。

2.随着核数的逐渐增加，随着节点间通信费用指数的上升，随着线程数的增加，性能的提高逐渐放缓。当核数增加到960核时，计算优化实例需要106.6小时比理想耗时16小时.6小时。

实证过程：

1.云调度120计算优化实例运算一组Fluent任务，耗时721.8小时；

2.云调度240计算优化实例运算一组Fluent任务，耗时362.2小时；

3.云调度360计算优化实例算一组Fluent任务，耗时242.4小时；

4、云端调度480核计算优化型实例运算一组Fluent任务，耗时183.3小时；

5、云端调度600核计算优化型实例运算一组Fluent任务，耗时152.1小时；

6、云端调度720核计算优化型实例运算一组Fluent任务，耗时130.8小时；

7、云端调度840核计算优化型实例运算一组Fluent任务，耗时117.3小时；

8、云端调度960核计算优化型实例运算一组Fluent任务，耗时106.6小时。

实证场景二

云端扩展性验证

云端计算优化型实例 VS 云端网络加强型实例

结论：

1、在云端使用云端网络加强型实例，调度960核计算资源，最多可将运算一组Fluent任务的耗时从本地单机环境的45天缩短到90.6小时（3.775天），可满足该实验室“一周内完成”的要求；

2、网络加强型实例有效解决了Fluent任务并行计算节点间通信问题，在云上展现出了良好的线性扩展性。在相同的核数下，网络加强型实例的线性十分接近理想值。也就是说，如果核数增加，仿真所需时间会成比例缩短。

实证过程：

1、云端调度120核网络加强型实例运算一组Fluent任务，耗时720.1小时；

2、云端调度240核网络加强型实例运算一组Fluent任务，耗时360.3小时；

3、云端调度360核网络加强型实例运算一组Fluent任务，耗时240.2小时；

4、云端调度480核网络加强型实例运算一组Fluent任务，耗时180.2小时；

5、云端调度600核网络加强型实例运算一组Fluent任务，耗时144.4小时；

6、云端调度720核网络加强型实例运算一组Fluent任务，耗时121.1小时；

7、云端调度840核网络加强型实例运算一组Fluent任务，耗时103.3小时；

8、云端调度960核网络加强型实例运算一组Fluent任务，耗时90.6小时。

实证场景三

任务提交方法

journal标准流程化模式 VS Fluent应用图形界面模式

我们为有编程基础的用户提供journal标准流程化模式，用户可在Web浏览器中直接提交已编写好的journal文件，开启云端Fluent任务，方便快捷。

而对于无编程基础的用户提供Fluent应用图形界面模式，用户可通过Web浏览器启动集群，跳转到虚拟桌面，并可在该桌面直接操作Fluent应用进行相应设置以开启云端Fluent任务。

journal标准流程化模式分为三个步骤

1、通过Web浏览器登录fastone平台；

2、在Web界面新建任务、选择应用、配置资源；

3、在应用中选择journal文件（即Fluent脚本文件），输入所需资源和应用参数（如求解器精度），提交任务。

该种方式要求用户有能力自定义journal文件，即需要用户具有一定的编程基础。由于该高校科研组缺乏相应编程能力，fastone为其提供了Fluent应用图形界面提交方式。

Fluent应用图形界面模式有四个步骤

1、通过Web浏览器登录fastone平台；

2、在Web界面新建集群、配置资源；

3、在已创建的集群点击WebVNC远程桌面图标（同时提供WebSSH远程命令行功能）；

4、跳转到虚拟桌面，可在该桌面直接操作Fluent应用进行相应设置以提交任务。

该种方式模拟出了Fluent的原生界面，用户更为熟悉操作环境，使用体验较好。

平台还支持实时查看残差曲线，监控计算的收敛情况。

实证场景四

用户模式

普通用户模式 VS 高级用户模式

上一个场景里的journal标准流程化模式就是通过Web浏览器选择新建任务、选择应用、上传文件，输入参数，配置资源等一系列向导式路径提交任务。

而对于高级用户，比如本身对应用工作流的理解和编程能力超强，可以不用走普通用户通过应用向导式提交的路径，可以直接根据自己写的脚本，通过Web浏览器选择新建集群，然后按需动态地在云端创建HPC集群。

关于我们在云端部署自动化模式VS传统手动模式间的巨大差异可查看：EDA云实证Vol.1：从30天到17小时，如何让HSPICE仿真效率提升42倍？

关于我们的Auto-Scale功能自动监控用户提交的任务数量和资源的需求，动态按需地开启所需算力资源，在不够的时候，还能根据不同的用户策略，自动化调度本区域及其他区域的目标类型或相似类型实例资源，看这篇：生信云实证Vol.3：提速2920倍！用AutoDock Vina对接2800万个分子

实证小结

1、Fluent任务能够在云端有效运行；

2、fastone能够快速获取大量云端算力，大幅缩短项目周期；

3、针对Fluent应用对节点间数据通信的高要求，选择网络加强型实例可以在云端达到很好的高效率并行性；

4、针对不同的用户，fastone提供多种任务提交方式以供选择，既支持journal标准流程化模式，也支持Fluent应用图形界面模式；

5、fastone平台支持实时查看残差图；

6、高级用户可以根据自定义脚本，直接在云端创建HPC集群。

本次CAE行业Cloud HPC实证系列Vol.5就到这里了。

在下一期的CAE云实证中，我们将利用速石平台使LS-DYNA模拟性能得到极大提升。

未来我们还会带给大家更多领域的用云“真香”实证，请保持关注哦！

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