压气机整机超大规模非定常模拟关键技术

doi:10.7527/S1000-6893.2024.29865

流体力学与飞行力学

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压气机整机超大规模非定常模拟关键技术

王子维¹^,², 范召林¹^,², 李彬², 曹杰², 邓亮², 王年华², 江雄²()

^1.国防科技大学高超声速技术实验室，长沙 410073
^2.中国空气动力研究与发展中心，绵阳 621000

收稿日期:2023-11-13 修回日期:2023-12-20 接受日期:2024-03-05 出版日期:2024-03-18 发布日期:2024-03-14
通讯作者: 江雄 E-mail:13990153582m@sina.cn
基金资助:
省部级项目

Key technologies for massive unsteady simulation of whole compressor

Ziwei WANG¹^,², Zhaolin FAN¹^,², Bin LI², Jie CAO², Liang DENG², Nianhua WANG², Xiong JIANG²()

^1.Hypersonic Technology Laboratory，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China
^2.China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China

Received:2023-11-13 Revised:2023-12-20 Accepted:2024-03-05 Online:2024-03-18 Published:2024-03-14
Contact: Xiong JIANG E-mail:13990153582m@sina.cn
Supported by:
Provincial or Ministerial Level Project

摘要/Abstract

摘要：

航空发动机压气机整机往往包含多个涵道以及多达十几个压气机级，全环非定常模拟技术是提高其内流场模拟保真度的手段之一。压气机整机数十亿量级的全环网格量导致非定常模拟计算量巨大，开发具备高可扩展度的用于超大规模压气机非定常CFD模拟的求解器十分必要。基于团队自主发展的轴流压气机气动性能数值模拟软件ASPAC，给出了基于分区后单通道网格定常流场生成分区后全环网格初场的通用解决方案；对国际上基于单通道壁面距离生成全环壁面距离的方法进行了分析和测试，给出该方法导致非定常模拟结果产生的偏差分布区域和量级；发展了考虑网格畸变的叶排交界面网格重叠定位策略；完成了压气机非定常模拟的MPI/OpenMP混合并行改造，并通过优化求解流程，解决了OpenMP并行模拟时的数据竞争问题。结果表明，发展的方法成功应用于双涵道13级压气机61.16亿网格的10万核级全环非定常模拟。MPI/OpenMP混合并行模式基本解决了叶排交界面动态插值处理导致的负载不平衡问题，10万核相比万核的并行效率达到84.7%，远高于MPI并行模式46.7%的并行效率。

关键词: 双涵道, 13级压气机, 全环非定常模拟, 壁面距离, MPI/OpenMP混合并行

Abstract:

The aero-engine compressor often contains multiple ducts and up to a dozen compressor stages， and the full-annulus unsteady simulation technology is one of the means to improve the fidelity of its internal flow field simulation. The billions of the compressor grids result in a huge amount of unsteady simulation computation， necessitating the development of a highly scalable solver for the massive unsteady CFD simulation of the compressor. Based on the in-house software ASPAC， a universal solution to generating the initial field of the full-annulus grid after partitioning based on the single channel grid steady flow field is provided； analysis and testing are conducted on the international method of generating full-annulus wall distance based on the single channel wall distance， and the deviation distribution area and magnitude caused by this method in unsteady simulation results are given. We further develop a grid overlap localization strategy for the blade row interface considering grid distortion， conduct the MPI/OpenMP hybrid parallel transformation of compressor unsteady simulation， and solve the problem of data competition during OpenMP parallel simulation by optimizing the solution process. The results show that the developed method has been successfully applied to the full-annulus unsteady simulation of a twin-spool 13-stage compressor with 6.116 billion grids using 102 400 CPU cores. The MPI/OpenMP hybrid parallel mode has basically solved load imbalance caused by the dynamic processing of the blade row interface interpolation. The parallel efficiency of the 102 400 cores compared to the 10 240 cores is 84.7%， far higher than that of the MPI parallel mode of 46.7%.

Key words: twin-spool, 13-stage compressor, full-annulus unsteady simulation, wall distance, MPI/OpenMP hybrid parallel

中图分类号:

V231.3

王子维, 范召林, 李彬, 曹杰, 邓亮, 王年华, 江雄. 压气机整机超大规模非定常模拟关键技术[J]. 航空学报, 2024, 45(18): 129865.

Ziwei WANG, Zhaolin FAN, Bin LI, Jie CAO, Liang DENG, Nianhua WANG, Xiong JIANG. Key technologies for massive unsteady simulation of whole compressor[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(18): 129865.

图/表 29

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参考文献 31

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

软件	并行规模	并行模式	网格量/10⁸	涵道数	级数
elsA^［18］	512	MPI	1.34	1	3.5
In-house code^［19］	7 300	MPI	20	1	7
TRAF^［20］	200	MPI	15	1	15
AU3D^［21］	192	MPI	3	1	8
ASPAC^［22］	10 240	MPI	7.65	2	13
SunwayURANS^［23］	449 280	众核异构	72	1	0.5
ASPAC	102 400	MPI，MPI/OpenMP	61.16	2	13

叶排	叶片数	初始网格/10⁴	加密网格/10⁴
LPC_r1	10	421.9	3 374.9
LPC_s1	23	114.7	917.5
LPC_r2	20	140.5	1 123.9
LPC_s2	21	103.2	825.8
LPC_r3	21	133.4	1 067.4
LPC_s3	23	103.2	825.8
LPC_r4	18	171.8	1 374.2
LPC_s4	22	126.5	1 011.7
内涵道撑板	6	161.0	1 288.0
外涵道撑板	6	116.2	929.3
HPC_IGV	31	53.4	427.0
HPC_r1	26	68.8	550.7
HPC_s1	46	46.1	368.6
HPC_r2	35	54.5	435.8
HPC_s2	66	41.0	327.9
HPC_r3	40	54.5	435.8
HPC_s3	74	37.1	296.4
HPC_r4	50	48.0	384.2
HPC_s4	84	31.1	248.8
HPC_r5	57	47.5	380.3
HPC_s5	102	31.1	248.8
HPC_r6	67	45.4	363.1
HPC_s6	98	31.1	248.8
HPC_r7	62	45.4	363.1
HPC_s7	91	31.1	248.8
HPC_r8	68	44.9	359.2
HPC_s8	102	34.4	274.9
HPC_r9	65	42.8	342.0
HPC_s9	112	43.2	345.6

网格	方法	耗时/s	内存消耗
1.5-stage	直接法	192 362.36	1 614.72 MB
	循环盒子法	533.59	1 716.00 MB
	当前方法	4.49	1 546.11 MB
13-stage coarse	直接法	7 755.84	19.86 GB
	循环盒子法	6.80	21.02 GB
	当前方法	0.06	19.10 GB
13-stage fine	当前方法	0.90	150.12 GB

内迭代步数	10	50
RowInterfaceGridAssembly耗时/s	0.152 008	0.143 821
HaloExchange耗时/s	0.724 860	0.698 514
RowInterfaceExchange耗时/s	0.074 348	0.073 611
CFD algorithm耗时/s	2.588 475	2.597 686
内迭代平均时间/s	3.388 091	3.370 210
外迭代平均时间/s	34.176 414	168.787 476

函数名称	功能描述	耗时占比/%
函数名称	功能描述	内迭代步数为10	内迭代步数为50
LU-SGS	Navier-Stokes 方程LU-SGS求解	30.93	30.89
InviscidFlux	无黏通量求解	21.34	21.77
SA LU-SGS	SA方程LU-SGS求解	21.24	21.37
CalGeometry	计算几何参数	7.90	7.88
ViscousFlux	黏性通量求解	2.32	2.30
SA_Source	SA方程源项求解	2.27	2.31

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位置	流量/（kg·s^-1）	总压/（10⁵Pa）	静压/（10⁵Pa）	总温/（10²K）	静温/（10²K）
入口	48.733 556 26	1.019 685 353	0.994 973 231 8	2.888 314 761	2.868 140 114
外涵出口	8.174 930 182	1.040 789 054	1.012 636 720	2.905 918 733	2.883 240 581
内涵出口	1.735 740 681	1.040 796 178	1.012 656 069	2.905 929 198	2.883 261 082

并行模式	线程数	耗时/s
MPI		3.417 641 4
MPI/OpenMP	1	3.525 929 6
	2	3.512 598 8
	4	3.710 951 2
	8	4.766 931 9
	16	9.504 354 9

进程数	负载不平衡度/%	对应算例
640	0.12	10 240（16）
1 280	0.11	10 240（8）
2 560	0.46	10 240（4）
5 120	4.24	10 240（2）
6 400	2.87	102 400（16）
10 240	4.99	10 240，10 240（1），20 480（2）
12 800	4.80	102 400（8）
20 480	4.88	20 480，40 960（2）
25 600	7.26	102 400（4）
40 960	5.27	40 960，81 920（2）
51 200	19.37	102 400（2）
81 920	42.64	81 920
102 400	78.30	102 400，102 400（1）

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