«Clustering pour le bureau d études : Application en CFD»

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1 «Clustering pour le bureau d études : Application en CFD» Par Nicolas COSTE, Société OPTIFLOW - 11/12/2002

2 OPTIFLOW: Bureau d études et de recherches en Mécanique des Fluides Créée en 1998 par un ensemble de chercheurs en Mécanique des Fluides Applique les récentes technologies numériques issues de la recherche en Mécanique des Fluides Numérique aux traitements des problèmes d écoulements fluides industriels. En relation avec plusieurs instituts de recherche (L3M, POLITO...) Interface entre les laboratoires de recherche et le monde industriel

3 Activité: Reproduction, par simulation numérique, des écoulements complexes de fluides principalement dans les domaines d 'application: Aérodynamique et hydrodynamique classique (écoulements autour de véhicules terrestres, marins ou aériens, de voilures portantes, à l'intérieur de turbomachines... ) Atmosphériques (écoulements de basse atmosphère autour de structures bâties, au dessus de sites à topographies complexes... ) Transport de fluides (écoulements confinés de la taille d'une conduite mince jusqu'à celle d'un vaste espace clos )

4 Ecoulements traités: Géometries de dimension importante (plusieurs mètres) Turbulents Instationnaires Thermique Plusieurs millions de cellules pour le problème disctrétisé Plusieurs Go de RAM Temps de calcul trés élevés (plusieurs jours)

5 Moyens utilisés: Serveur Unix mémoire partagée Stations de travail Enjeux actuels pour BE : Réduction des temps de calcul Augmentation de la précision des résultats avec l'utilisation de modèles physiques plus complet? Investissement matériel important dans une plate-forme de calcul Serveur mémoire partagée (SUN - HP - SGI...) Outils HPC Cluster type PC + réseau rapide Ethernet 100Mb, Gb - Myrinet... Outil d'administration (Scyld - Alinka - Oscar...)

6 Tests réalisés: Machine Choeur du L3M - Cluster Athlon XP Cas stationnaire caractéristiques relatifs à l'activité du bureau d études Aérodynamique classique en 2D (petite dimension) Ecoulement atmosphérique autour d'un bâtiment à arêtes vives (moyenne dimension) 1 Cas instationnaire de référence Lâcher tourbillonnaire en aval d'un cylindre de section carrée

7 Codes de calcul utilisés: Code commercial Fluent (Fluent.Inc) Résolution des équations de Navier-Stokes par : Méthode des Volumes finis Maillage structuré, non-structuré Solver itératif multigrille Parallèle, partitionnement automatique, répartition de charge

8 Codes de calcul utilisés: Code commercial M-Implicit (Acusim M3) Résolution des équations de Navier-Stokes par : Eléments finis Maillage structuré, non-structuré Solveur couplé itératif, parallèle

9 Cas bidimensionnel (solver Fluent) : Ecoulement autour d'un profil d'aile : A-Airfoil Ref 1: ECARP Validation of CFD codes and assessment of Turbulence Models Vol 58 (1997) Nombre de Reynolds Re /c=u*c/ν = 3e6 Maillage non-structuré comportant cellules Modèle k-epsilon standard

10 Cas bidimensionnel : Evolution du Speedup (wall-clock-time) et de l' efficacité Speedup Quasi linéarité du speedup sur 8 proc. (100Mb) Perte de performance sensible au delà de 8 processeurs avec réseau 100 Mb et d une façon générale avec le réseau Gb Efficacite

11 Cas tridimensionnel (solver Fluent) : Ecoulement atmosphérique autour d'un bâtiment à arêtes vives Ref 1: Richards P.J., Hoxey R.P. : Computational and wind tunnel modelling of mean wind loads on the Silsoe Structures Building. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. Vol Conditions d écoulement Re =2e6 Turbulence atmosphérique Direction du vent Maillage non-structuré cellules Ex : Champ de pression autour du bâtiment Modèle k-epsilon standard

12 Cas tridimensionnel : Evolution du Speedup (wall-clock-time) et de l' efficacité Speedup Effondrement du speedup au delà de 10 proc. en 100Mb Efficacité Utilisation des cartes Gb permet de maintenir le speedup quasi linéaire au delà de 10 proc. et de conserver ainsi une efficacité > 60%

13 Conclusion et perspectives : Mise en oeuvre efficace des différents solveurs commerciaux testés sur le cluster type beowulf (tant au niveau utilisation que performance) Maximum d'efficacité du solver en 2D pour Nproc < 6 et avec l utlisation des cartes 100Mb En 3D nécessité d'utiliser le réseau Gb au delà de 6 proc. pour conserver une certaine efficacité

14 Conclusion et perspectives : Test des cartes SCI/Dolphin disponible au sein du L3M dans le même cadre d études Pb principal rencontré : gestion de la soumission des jobs, qui nécessite de se logger sur un noeud esclave Cluster apparaît comme la solution présentant le meilleur rapport puissance de calcul / prix face aux machines à mémoire partagées Permet également de regrouper sur une seule machine les services vitaux de l'entreprise ( haute disponibilité, serveur DB, etc...), entraînant de fait une réduction des coûts d'administration système

15 Cas tridimensionnel (M-Implicit) : (calculs réalisés sur 4 processeurs) Conditions d écoulement Ref 1 : D.A. Lyn, S. Einav, W. Rodi and J.H. Park : «A laser-doppler velocimetry study of ensemble averaged characteristics of the turbulent near wake of a square cylinder». J. Fluid Mech. (1995) vol. 304 pp Ref 2 : D.F.G Durao, M.V. Heitor and JCF Peireira : «Measurments of turbulent and periodic flow around a square cross-section cylinder». Exps. Fluids. (1988) vol. 6 pp ) Intensité de turbulence de la soufflerie 2 % Nombre de Reynolds Re=U*D/ν =22000 Modèle de turbulence Spallart-Almaras Direction du vent U Lâcher tourbillonnaire Cylindre carré de côté D

16 Comparaisons expérimental-numérique pour les variables globales Le calcul instationnaire permet de déterminer les variations temporelles des efforts aérodynamiques (périodiques ou non) et les oscillations pouvant apparaître dans l écoulement Bon accord entre le nombre de Strouhal calculé St=f*D/U (fréquence sans dimension) et la traînée moyenne avec ceux obtenus expérimentalement (voir tableau ci-dessous) Evolution temporelle des différents coefficients aérodynamiques Tableau de Comparaison entre l'expérience et le calcul Auteur Modèle St Cx moy Lyn et al (1995) Expérience 0, Durao et al (1986) Expérience 0,139 - Présente étude Calcu l in s tatio n n aire 0,140 2,270