摘要：概述在舰船设计中基于CFD（计算流体力学）并行计算的发展现状，主要介绍并行计算在CFD领域的应用，分析在舰船设计中并行计算的技术特点，并展望未来并行计算在舰船设计中的应用。
关键词：计算流体力学；舰船设计；并行计算
中图分类号：TP338文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)36-2916-01
Application and Outlook of Parallel Computation in Ship Design
TANG Lei
(China Ship Development & Design Center, Wuhan 430064, China)
Abstract: Current situation of CFD(Computational Flow Dynamics)—based parallel computation in Ship Design is given and more emphasis is placed on application of parallel computation in CFD.Analysis of technical features of parallel computation and outlook of application of parallel computation in ship design are presented by the author.
Key words: computational fluid dynamics; ship design; parallel computation
计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)是一门用数值计算方法直接求解流动主控方程(Euler或Navier～Stokes方程)以发现各种流动规律的学科，它可用来进行流体动力学的基础研究、复杂流动结构的工程设计、分析实验结果。CFD综合了计算数学、流体力学、计算机技术、物理模型、计算机辅助设计（CAD）、可视化等多种学科而成为一门交叉学科。近年来，随着计算机计算速度与记忆容量不断地增进，计算流体力学所能解决问题的尺度与复杂度也逐渐加大。时至今日，计算流体力学已成为学界研究流体力学的主要利器之一，与理论流体力学和实验流体力学构成现代研究流体力学之三大主流。计算流体力学除了适于探讨参数变化的影响外，因其而建立的分析数据库，更可以减少实验所需的工时而缩短设计时间，大大节省试验经费。
CFD技术与传统的试验和理论研究相比，有如下三个特点：
1）洞察力；CFD提供了强有力的工具，使工程人员能够直观地了解产品内的复杂流动现象，将触觉深入产品内部，了解物理本质。这对工程师提高设计能力以设计新产品、改进和优化设备都有至关重要的作用；
2）预见性；采用CFD技术，在设计初期就能够从大量的设计方案中筛选出所需要的设计方案，从而大大减少了设计中的盲目性。另外，在很多特定的条件下工作的产品，CFD模拟是获取数据的唯一有效的途径；
3）高效性；大量的经验表明，CFD技术的使用大大缩短了产品上市时间，提高了产品性能，降低了设计和生产费用。
经过半个世纪的迅速发展，这门学科己相当成熟，成熟的一个重要标志是近十几年来各种CFD通用性软件包陆续成为商品化软件，并已运用到航空、航天、船舶、动力等许多相关领域中去，并且取得了巨大的成果。
1 基于CFD并行计算的发展
当前，在舰船设计过程中计算流体力学、结构力学、爆炸与冲击、噪声与振动等多学科技术领域的计算问题均需要对大量的数据进行计算和处理，并在一定时间内得到有效结果。如何快速而有效的提高计算速度已经成为计算机科学迫切需要解决的问题。纵观近几年CFD技术的发展和应用历程，CFD技术之所以得到快速的普及，与计算机计算能力的高速发展，信息化发展密不可分。利用并行计算使得CFD在一定范围和环境下，可以用来求解某些工程问题，这对大多数工程问题的模拟具有重要的意义。
并行技术一般是采用物理区域分割并行方法，在编程上采用单控制流多数据流（SPMD）模型，采用MPI或PVM实现消息传递，几乎适用于所有的并行机体系结构。并行原理是：将整个流动区域分割成N个子区域分配给N个CPU计算，把子区域的初始流场信息、几何信息（网格坐标、标识号）分别装载入各子区域对应的CPU的内存中，在每一个CPU中启动计算进程，由主进程调度各CPU的计算。在每一次全场的扫描过程中，由各CPU完成子区域的计算并在边界完成数据交换，由主进程收集全场数据完成收敛准则判别，并按需要进行访问磁盘等其它操作。在物理模型和数值算法确定的条件下，计算速度主要取决于CPU个数、CPU性能、内存、CPU-内存访问带宽、结点互连带宽、网格质量及分区质量。每一个特定问题、每一台特定机器对应于一个最佳分区数，大量的实践会对同一类问题总结出一个最佳网格数/CPU比值。分区数过多，CPU间通信量增大，分区数增大到一定程度会反而降低计算速度；分区数过少，没有充分利用更多的CPU参与计算，也会影响计算速度；分区质量差，各CPU负载不均匀，CPU有等待现象，也影响速度。
由于流体运动本身具三维性、时变性与非线性等特点，因此其物理现象非常复杂。早期的流体力学研究主要是借助于理论分析与实验，然而传统的理论分析方法由于有许多假设与简化，所以其能解决的问题通常有限。过去，计算机提高计算速度的方法主要是依靠计算机中央处理器CPU的时钟速度，而现在，双核、四核计算机的出现也将推动并行计算的发展，成为科研设计的一个重要手段。
笔者认为，并行计算将是未来计算机发展的一个重要方向，是高性能计算的前提条件，也是舰船领域科研设计的迫切需要解决的一个问题。
2 并行计算技术
并行计算是指同时对多个任务或多条指令、多个数据项进行处理。完成此项处理的计算机系统称为并行计算机系统，它是将多个处理器通过网络连接，以一定的方式有序地组织起来。
随着计算机技术的迅猛发展，并行计算在工程应用中也越来越广，利用商业软件进行计算已是舰船设计中的一项重要手段，如CFD相关软件使复杂的流场问题得以求解，但其性能在一定程度上依赖网络环境和高性能计算的硬件环境。单台计算机（或工作站）的计算性能无法真正意义上缓解网格计算所带来的瓶颈，从而也推动了并行计算的发展。网络并行计算环境是利用两台或两台以上的计算节点，通过千兆以太网的网络环境协同工作完成同一个任务。将网络并行计算环境和传统工作站环境进行比较，并行计算环境的优势越发明显。首先，网络并行计算环境在硬件和软件方面的综合成本比并行计算工作站环境要低，易于搭建、部署和管理；其次，网络并行计算系统使用便捷，集中管理，可扩展性强，更加灵活。
下面我们将结合不同的应用方案进行分析：
2.1 单机单处理器
目前，该应用方案已经遇到技术瓶颈。如内存问题和计算收敛问题，对于32位计算机每个CPU最多可以访问2Gb内存，64位计算机每个CPU最多配置4Gb内存，因此由于可以访问的最大内存的限制，我们认为单CPU无法求解200万网格以上的问题；计算收敛问题所需要的时间长，特别是非定常问题，采用单CPU完成计算存在困难。
2.2 单机多处理器
单机多处理器就是在一台计算机上有多个处理器，所有处理器共享内存和硬盘。由于使用方便，所有的执行程序和用户数据在同一台计算机，因此在并行时不需要在不同的计算机之间拷贝文件，用户操作比较方便。但是其成本较高、可扩展性差，如扩展CPU问题，每台计算机支持的CPU数量有限制，而且如果计算机支持的CPU数量越多其成本也越昂贵。
2.3 分布式
分布式并行计算是近年来非常流行的计算模式，分布式计算就是利用多台计算机处理复杂的工程问题。分布式计算可扩展性高，在需要增加计算节点的同时，可以在网络中进行添加；当某一个计算节点故障时不影响其他节点的正常运行。
2.4 集群
集群系统是由独立的计算机组成，但有控制管理工具统一管理。与分布式并行计算的最大区别是控制管理工具统一管理。通过部署集群（CLUSTER）软件我们可以做到：
1）用户仅仅访问管理节点，不需要直接访问其它计算节点，从而简化用户的操作使用；
2）网络管理员在管理节点可以监控网络运行状态；
3）CLUSTER软件提供了大量的资源管理功能、如远程拷贝、远程管理等功能。
目前，并行计算所采用的网络操作系统大多数是UNIX或Linux，但是伴随着2006年6月微软第一款基于Windows的产品Windows Compute Cluster Server（WCCS）的发布，使得我们可以迅速的部署和管理并行环境。一方面WCCS实现了个人和小组级超级计算系统的便捷部署和管理，将群集部署和管理集成到用户熟悉的微软活动目录和微软Windows Server2003工具中，支持使用微软管理控制台进行计算节点的简单部署和中央管理；另外一方面，WCCS提供了完整的并行计算环境，包括MSMPI、作业调度器和集成于Visual Studio.Net2005的开放平台。
3 结论与展望
并行计算技术不仅可以解决舰船领域中计算流体力学的问题，对于爆炸冲击计算分析、疲劳分析、噪声振动分析、结构力学分析、系统仿真技术也有解决方案；同时，并行计算不仅在现有的CFD技术中发挥巨大的作用，也将在其他领域发挥不可替代的作用。
展望未来舰船设计中并行计算技术将有如下特点：
1）CFD技术、计算机辅助工程（CAE）技术、并行计算技术将改变人们的工作方式和设计方式；
2）CAE计算领域将逐步利用并行计算技术，发挥设计优势；
3）并行计算将与CFD、CAE更加紧密结合；
4）并行计算网络操作系统管理和操作将更加便捷，更加智能化。
参考文献：
[1] 魏存祥,龚建春.基于ANSYS的并行计算发展及实现[J].制造业信息化,2007(10):95-96.
[2] 谢江,毛国勇,张武.FLUENT及其在飞机绕流流场并行计算中的应用[J].计算机工程及应用,2007,43(28):246-247.