E-HPC CFD仿真实践

工业流体仿真通过利用数值方法，将连续空间的偏微分方程离散化，得到一系列的线性方程组系统，最后采用数值算法对方程组进行求解。一般分为前处理（离散化）、问题求解（并行求解）、后处理（结果分析）三大步骤，各个步骤包含的操作内容如下图所示：

阿里云E-HPC服务能够自动化的部署工业仿真开源软件栈，加上E-HPC的远程可视化特性和并行处理能力，用户可以直接通过E-HPC Web控制台完成完整的CFD的仿真过程，本文以圆柱绕流的仿真分析为例，演示在E-HPC上的仿真分析处理。
在开始仿真操作之前，需要先创建E-HPC集群，同时在创建过程的“软件配置”中，选择部署helyx-os、paraview以及OpenFOAM软件，在集群进入“运行中”状态后，创建用于提交作业的用户。

1. 前处理

CFD计算需要将连续的计算域离散为一系列的控制体或单元，将连续域的偏微分方程求解变换为离散域的差分方程求解。 这些离散域的单元通常称为网格，网格单元的尺寸一般需要适应流动情况（如存在激波、边界、涡等现象的地方，网格尺寸应该小）。CFD前处理的流程主要是构造对象的几何形状、设置参数并生成所需要的网格、进行边界条件和求解器设置等操作。本例使用开源软件HELYX-OS来完成算例的前处理工作。

1.1 几何建模与网格生成

E-HPC控制台提供了远程可视化界面，可提供图形化的前处理操作。集群创建完成后，可通过“集群”界面或“作业”界面打开远程可视化窗口，通过“作业”界面右上角“可视化窗口”按钮打开如下图所示，进入opt目录下的相关文件夹：

右键打开命令行执行./HELYX-OS.sh，可以打开HELYX-OS的操作界面，创建一个新的算例（可设定算例文件位置以及求解时的并行度）。

首先进行几何建模，以构建基本的几何边界和几何形状。这里BoudingBox类型选择User Defined，宽、高均为10，厚度为1，x方向单元数为100，y方向单元数为80，z方向单元数为0；其中几何形状为一个圆柱，同时设置了边界名称，流体从左侧（Inlet）入从右侧（Outlet）出，最后设置Material Point的位置为（-2，0， 0），表示将针对BoundingBox之内、圆柱之外的空间进行网格划分：

最终可在窗口看到划分后的结果如下图：

此时划分完毕得到的是均匀网格，还需要根据物理特点重新构建生成实际计算使用的贴体网格。点击左上角的Create按钮创建网格，需要花一点时间，创建完毕后，会呈现划分后的贴体网格结果，放大可以看到原有的按单元数均匀划分的网格，在贴体表面进行了分块，以适应圆柱体表面不规则的计算域：

初步划分完毕以后可以对网格进行一定的细化/粗化调整，点击Options按钮，这里将Refinements/Cells Between Levels调整为6，重新Create会发现圆柱周围的网格会细化很多：


网格调整好以后，点击上方的Check，检查有没有负体积等问题，确保计算是可以收敛的。HELYX-OS最终会生成报表：

1.2 参数设置与算例生成

网格完成以后，我们要设置具体的计算参数以生成实际算例供求解器计算使用，图中设置为瞬态计算、不可压缩流、并设置了湍流模型和方程：

接下来设置流场中的介质属性，这里以空气为模板创建一个自己的介质，仅修改了介质密度：

前面提到了流体从Inlet流入从Outlet流出，所以这两个边界就不能是Wall类型了（Wall类型的边界包含网格，会参与计算），因此将其改为Patch类型，入口设置流速为-1，出口设置压力为0，其他四面都设置为对称面symmetry，两侧流场一样。

然后进行计算时间设置，这里的设置和计算量密切相关，计算时间越长，时间步越小，计算量越大：

最后是流场的初始化配置：

全都配好，就可以Decompose（网格分割）了，把配置好的网格、计算参数分解开，便于多个处理器并行执行。分割完毕，可以看到拆分的大致结果，准备提交计算作业了。

2. 提交作业

2.1 创建与提交作业

提交作业可以通过E-HPC的控制台进行，前面的算例已经保存在用户名为alibaba的用户目录下，因此我们只需要使用该用户提交作业即可，在E-HPC控制台的作业界面点击“创建作业”按钮，配置作业如下，分配2个计算节点，每个计算节点2个核进行计算：


点击确认提交，在E-HPC的作业界面可以看到作业正在运行：

查看作业运行

通过E-HPC的“集谛”界面，选择节点和指标，可以实时查看运行负载：

3. 后处理

3.1 计算合并

计算完成后，在E-HPC的作业列表的“已完成”清单中可以看到作业已完成，点击“详情”还可以查看作业详细运行信息：

由于我们是将网格拆分到4个CPU核进行计算的，在算例目录中能够看到多个目录分别保存各个CPU的计算结果：

此时我们需要将多个核的计算结果合并，使用reconstructPar命令，其中冒号后的数字是本次计算的结束时间：

[alibaba@manager newCase001]$ reconsructPar -time :4

3.2 结果可视化

合并完成后，就可以可视化的查看仿真结果了，本例使用ParaView软件进行结果查看，打开算例目录下的.foam文件即可：

打开后选择Mesh Regions为internalMesh、Inlet、Outlet，设置一个Slice，顶部的Time可以选择时间点，以显示不同时间点的仿真速度云图。