面向云计算环境的OpenFOAM网格生成服务

2022年电子技术应用第4期

高若辰，淮晓永，张志达，李佰文

华北计算机系统工程研究所，北京100083

摘要：   

网格生成是计算流体力学仿真分析基础。由于网格生成的计算量大，适合利用服务器的高性能计算能力在服务器端运行，以云服务方式为用户提供高效的网格生成服务。提出了一种面向云计算的网格生成服务模型，基于该模型能够对传统的单机版网格生成模块进行服务化封装，实现网格生成的云服务。采用该模型对OpenFOAM的网格生成模块进行服务化封装，实现了一个面向服务的网格生成服务原型软件。通过网格生成客户端软件与网格生成云服务的集成测试，验证表明“云+端”的网格生成服务能够充分利用服务器端和客户端的计算资源，实现云端协同的网格生成优化计算。

关键词：

网格生成，云计算，OpenFOAM

0 引言：

计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)是流体力学和计算机科学相互融合的一门新兴交叉学科，其基本原理是把待求解的连续物理场(如速度场和压力场)分解成有限个离散点的集合，然后建立控制流体流动的控制方程，通过求解方程组得到的近似解来模拟流体流动情况[1-2]。CFD在汽车、船舶、航空航天、工业设计等多个领域具有广泛的应用[3-4]。

CFD的基本结构组成一般分为前处理、数值求解和后处理分析三部分。其中，网格生成是前处理的关键步骤之一，在计算流体力学的工业应用实践中，一般有40%～45%的时间耗费在前处理阶段[5]。

网格生成是对连续计算流场的离散化，把一个连续的几何区域分割成许多很小的单元，以便在离散的单元上进行流场代数方程的数值求解[6]。为了获得高精度的数值仿真解，需要将计算域划分为尽可能小的网格单元，质量好的网格通常可以达到千万甚至上亿的数量级。网格数量越多，对CPU、内存等计算资源的需求也会越高。因此，复杂大型模型的网格生成计算需要耗费巨大的计算资源。

为了解决网格生成技术计算量大、耗时长的问题，一方面是优化网格生成技术，如动网格生成技术[7]、重叠网格生成技术[8]和自适应网格生成技术[9-12]；另一方面，利用云端的高性能服务器资源进行网格生成计算也是工程技术发展的方向之一[13]。本文对云计算技术与网格生成技术进行集成，设计开发了一个网格生成服务原型系统，并基于OpenFOAM网格生成器设计实现了一个面向云计算环境的网格生成服务原型软件。