Размещено на http://www.allbest.ru

Отчет по курсовой работе

по дисциплине «Автоматизация тепловых процессов»

По теме: «Применение вычислительных систем для решения задач гидро- и газодинамики»

Выполнил студент

гр. 5Б3В Лютиков И.Н.

Проверил:

Ст. преп. каф. АТП ЭНИН

Жданова А.О.

Томск 2016

1. Постановка задачи. Выбор класса вычислительной системы

Задачей курсового проекта является изучение вычислительных систем для решения задач гидро- и газодинамики, рассмотрение структуры сети вычислительных машин которые способны решать такие задачи, и определение необходимых вычислительных машин для реализации такого рода задач на практике.

Сфера: использование ЭВМ в системах моделирования.

Изложению материала по теме, обозначенной в названии данной работы, уместно предпослать краткую ретроспективу развития методов и средств численного моделирования течений жидкости и газа. С появлением первых ЭВМ активная работа в этом направлении началась в конце 50-х годов прошлого века и традиционно относилась к области естественных наук. До середины 80-х годов возможности вычислительной гидрогазодинамики ограничивались решением важных, но, по сути, модельных задач для упрощенных геометрических и граничных условий течения. В Советском Союзе в этой области работали сотни высококлассных специалистов: достаточно упомянуть школы академиков А.А. Самарского, О.М. Белоцерковского, Н.Н. Яненко, научные коллективы в МГУ, МФТИ, ИПМ, ЦАГИ, ЦИАМ, МФТИ (Москва), ФТИ им. А.Ф. Иоффе, ГИПХ, ЦКТИ (Санкт-Петербург).

В те годы уровень и практический выход проводимых в нашей стране исследований полностью отвечал, а по ряду составляющих и превосходил мировой уровень. Принципиально новый этап в развитии вычислительной гидрогазодинамики начался в конце 80-х годов. В результате, в течение 10-15 лет сформировались наукоемкие технологии численного инженерного анализа трехмерных течений и теплообмена в условиях реальной геометрии и при реальных условиях функционирования рассматриваемых объектов. В большой мере этому способствовало развитие численного метода конечных объемов, относительно легко воспринимаемого инженерным корпусом. К сожалению, данный этап совпал с глубочайшими изменениями в обществе и экономике России и, как следствие, только единичным научным коллективам в нашей стране удалось начать и систематически продолжать работы по освоению быстро совершенствующихся составляющих вычислительных технологий и созданию отвечающих нынешним реалиям собственных программных средств, аккумулирующих усилия нескольких десятков человеко-лет.

Текущий момент характеризуется широким внедрением во все передовые отрасли науки и промышленности прикладных программных пакетов вычислительной гидрогазодинамики и теплофизики, как неотъемлемой части комплекса CAD-CAE информационных технологий и исследовательского инструментария. Применение этих программ при проектировании образцов новой техники позволяет резко снизить затраты и сократить сроки создания новых изделий. Мировой рынок программ вычислительной гидрогазодинамики и теплофизики, представленный такими пакетами, как Fluent, Ansys-CFX, Star-CD, CFD-ACE и рядом других, превышает в годовом исчислении 300 млн. долларов и возрастает ежегодно почти на 20%. Параллельно в передовых странах на базе университетов и исследовательских центров развиваются и создаются программы вычислительной гидрогазоодинамики, не имеющие столь широкого охвата прикладных задач, как коммерческие программы, но позволяющие разрабатывать и апробировать новые физические модели и математические алгоритмы, а также отрабатывать методики расчета течений, с акцентом на наиболее адекватное воспроизведение данных экспериментов. Несомненно, именно сочетание коммерческих и развитых университетских программных продуктов позволяет эффективно прикладывать достижения вычислительной гидрогазодинамики и осуществлять профессиональную подготовку специалистов, столь необходимых сегодня для промышленности, научных и образовательных учреждений.

Современные средства вычислительной гидрогазодинамики должны давать возможность:

- решать полные стационарные и нестационарные уравнения Навье-Стокса в областях произвольной геометрии;

- использовать инерциальные и неинерциальные систем отсчета, как порознь, так и совместно;

- моделировать течения при малых и больших числах Маха;

- использовать различные подходы к моделированию турбулентности (осреднение по Рейнольдсу или же различные вихре-разрешающие методы);

- решать задачи сопряженного и сложного теплообмена; - осуществлять учет реальных свойств и многофазности среды, физико-химических процессов и т.д.;

- выполнять параллельные (распределенные) вычисления.

Существует огромное количество программных пакетов для решения задач гидро- и газодинамики ,но следует рассмотреть один из самых современных и распространенных пакетов ANSYS LS-DYNA.

LS-DYNA -- многоцелевой решатель, разрабатываемый в компании Livermore Software Technology Corporation (LSTC), основным применением которого является моделирование высоконелинейных динамических процессов. Список областей физики, в которых возможно применение данного решателя постоянно увеличивается, хотя основной дисциплиной для него остается механика деформируемого твердого тела. В состав ANSYS LS-DYNA входит два эффективных пре/постпроцессора для работы с данным решателем. вычислительный машина газодинамика задача

LS-DYNA и ANSYS Mechanical APDL

Интерфейс ANSYS Mechanical APDL обладает возможностями низкоуровневой подготовки моделей для LS-DYNA и анализа их результатов. В состав языка APDL входят не только команды для построения модели, но и для взаимодействия решателей ANSYS и LS-DYNA. Такое взаимодействие может быть полезно в случае использования разных схем интегрирования по времени на раз шагах расчета: переход от явной к неявной схеме (exptlicit-to-implicit) при расчете пружинения или наоборот, от неявной к явной (implicit-to-explicit) для учета монтажных нагрузок и статического преднапряженного состояния конструкции.

Типовые задачи:

- Задачи ударостойкости конструкций при больших деформациях, скоростях деформаций и разрушении материалов: столкновения автомобилей и других транспортных средств, тесты на падение различного оборудования, аварийное разрушение промышленного оборудования и силовых установок, баллистический удар и проникание тел в различные среды, прогрессирующее разрушение зданий и сооружений и пр.

- Квазистатические и динамические задачи поведения материалов при больших деформациях: обработка металлов давлением, резка, задачи геомеханики и деформирования материалов со сложным физико-механическим поведением.

ANSYS Workbench LS-DYNA ACT

- Метод конечных элементов в произвольной лагранж-эйлеровой постановке (Arbitrary Lagrange Euler, ALE)

- Расширенный метод конечных элементов (Extended FEM, X-FEM)

- Метод граничных элементов (Boundary Element Method, BEM)

- Метод сглаженных частиц (Smooth Particle Hydrodynamics, SPH)

- Метод дискретных элементов (Discrete Element Method, DEM)

- (Адаптивный) Бессеточный метод Галеркина ((Adaptive) Element free Galerkin, EFG)

- Перидинамика (Peridynamics)

- Метод сглаженных частиц Галеркина (Smoothed Particle Galerkin, SPG)

2. Выбор и обоснование выбора вычислительных машин, их технических и эксплуатационных характеристик

Для специалистов и инженеров, активно использующих программные системы компьютерного инжиниринга (CAE), чрезвычайно актуальным является вопрос выбора конфигурации рабочей станции, максимально эффективной для решения задач в кратчайшие сроки. Данный вопрос не теряет свою насущность никогда, поскольку быстродействие процессоров, объемы оперативной памяти и жестких дисков постоянно растут, что, в свою очередь, ведет к увеличению размерности конечно-элементных моделей, используемых при расчетах.

Использование высокопроизводительных кластеров для проведения ежедневных конечно-элементных расчетов не всегда экономически оправдано и не практикуется большинством предприятий в России. Кластеры достаточно дороги в приобретении, сложны в настройке, критичны к обслуживанию и имеют обыкновение быстро устаревать. Гораздо более эффективным представляется использование мощных персональных рабочих станций с возможностью запуска задач на решение "в ночь", с тем, чтобы к утру получить результат.

Очевидно, невозможно подобрать универсальную конфигурацию мощной рабочей станции для CAE-приложений (software), поскольку существует множество классов задач, каждый из которых определяет свои требования к hardware.

Так, при решении линейной статической задачи большой размерности итерационным методом, наиболее критичным фактором является объем оперативной памяти. А при решении сильнонелинейной динамической задачи с контактным взаимодействием с помощью явной схемы интегрирования во времени (например, моделирование краш-теста), более важно быстродействие процессора. Кроме таких параметров конфигурации как тип процессора и объем оперативной памяти, огромное значение могут иметь не столь традиционно обсуждаемые и анализируемые, но от этого не менее влияющие на общее быстродействие системы, как, например, частота системной шины и ее соответствие частоте оперативной памяти, многоканальный доступ к оперативной памяти и т.д.

С целью отслеживания текущего состояния на рынке доступных, но мощных рабочих станций, которые могут быть использованы предприятиями для выполнения ежедневных МКЭ расчетов был собран и протестирован ряд конфигураций рабочих станций Intel, путем решения benchmark-тестов - широкого круга задач с помощью программных систем конечно-элементного анализа ANSYS и LS-DYNA.

Для исследования были выбраны три конфигурации на базе различных процессоров Intel: Xeon, Core Quad и i7. При проведении тестов сравнивались не только три различных системы, но и ускорение на каждой из систем, при использовании различного числа ядер.

Таблица 1.- Сравнительная таблица конфигураций на базе Intel

Результаты тестов на основе ANSYS 11 SP1 x64

Для тестирования производительности рабочих станций при проведении расчетов в программной системе КЭ анализа ANSYS был выбран стандартный набор тестов ANSYS SP1 BENCH110 Benchmark Suite. Данный набор тестов содержит 8 задач различной размерности и относящихся к различным классам. Присутствуют как линейные/нелинейные, стационарные/нестационарные задачи теории упругости теории колебаний, теплопроводности, магнитостатики.

1. Статическая задача теории упругости, 850 тыс. степеней свободы, sparse-решатель

Данная задача средней размерности и должна полностью помещаться в оперативной памяти.

2. Задача теории колебаний, 760 тыс. степеней свободы, Block Lanczos-решатель

В ходе решения задачи производится расчет 200 частот и форм собственных колебаний. Задача показывает сбалансированность работы процессора и жесткого диска. На времени решения задачи положительно сказывается большой объем оперативной памяти. Выигрыш от ускорения расчета при параллелизации может теряться на фоне длительного процесса факторизации матриц.

3. Нелинейная контактная задача, 200 тыс. степеней свободы, sparse-решатель

Задача показывает сбалансированность работы процессора и жесткого диска.

4. Нелинейная задача магнитостатики, 90 тыс. степеней свободы, sparse-решатель

Задача малой размерности, которая должна помещаться в оперативной памяти любой машины. Показывает быстродействие подсистемы памяти.

5. Нестационарная задача теплопроводности, 700 тыс. степеней свободы, JCG-решатель

Еще одна небольшая задача, которая должна хорошо решаться на любой машине. Узким местом для итеративного решателя, используемого в данной задаче, является пропускная способность памяти.

6. Статическая задача теории упругости, 250 тыс. степеней свободы, sparse-решатель

Тест показывает баланс CPU и I/O подсистемы. Задача из этого теста решается в памяти любой Win32 машины (размерность задачи автоматически подстраивается) . Подпрограммы Sparse - решателя по перемножения матриц с двойной точностью создают основную вычислительную нагрузку.

7. Cтатическая задача теории упругости, 750 тыс. степеней свободы, sparse-решатель

Тест показывает баланс CPU и I/O подсистемы. На скорости счета хорошо сказывается размер оперативной памяти. Задача требует 16 Гб свободной оперативной памяти.

8. Статическая задача теории упругости, 5 млн. степеней свободы, PCG-решатель

Самая "тяжелая" задача из данного набора тестов. Лучший тест для пропускной способности подсистемы памяти.

Результаты тестов на основе LS-DYNA 971

Для измерения производительности компьютеров при вычислениях в КЭ пакете LS-DYNA выбран набор тестов Top Crunch. В тесте моделируется прямой удар автомобиля Plymouth Neon 1996 года выпуска на скорости 51 км/ч в недеформируемый барьер. КЭ модель содержит 535 тысяч элементов. Продолжительность процесса составляет 30 мс. КЭ модель была создана в Национальном центре моделирования краш-тестов (National Crash Analysis Center, NCAC) Университета имени Джорджа Вашингтона (George Washington University).

Решатель с одиночной точностью (single precision)

Решатель с двойной точностью (double precision)

Вывод

Как показали результаты проведенных тестов, система на базе Intel Core i7 оставляет далеко позади Core Quad и Xeon, будучи быстрее в 1,5 - 2 раза в зависимости от теста.

В свою очередь, Core Quad опережает Xeon на 5-15% практически на всех задачах, за исключением теста 7, где определяющим для быстродействия является объем оперативной памяти, которой в системе на базе Xeon 16 Гб, в отличие от 8 Гб у системы на Core Quad. Фактически, на системе Core Quad задача полностью не поместилась в память, что обусловило более длительное время счета. Однако, на системе i7 даже несмотря на наличие лишь 8 Гб памяти, показаны наилучшие результаты. Этот факт может быть обусловлен не только быстродействием процессора i7, но и гораздо более эффективной работой с памятью DDR3, контроллер которой в конфигурации i7 перенесен с материнской платы на процессор.

Интересным является также тот факт, что использование второго процессора (дополнительных 4 ядер) на системе Xeon дало ускорение по сравнию с одним процессором лишь на 10-20% и только в половине тестов. Таким образом, для данной системы использование второго процессора для проведения расчетов не совсем эффективно, вследствие архитектуры логики материнской платы. Гораздо целесообразнее использовать в данной системе один процессор для расчетов, а второй - для текущей работы, что позволит ставить задачи на счет не только "в ночь", но и днем, параллельно с работой в других приложениях.

То есть для реализации нашей задачи и полноценной работы, используя программное обеспечение ANSYS и LS-DYNA, потребуется 2 компьютера система которых расположен на базе Intel Core i7 и имеющие данные характеристики:

Таблица 2. - конфигурация на базе Intel Core i7

3. Описание архитектуры и топологии вычислительной сети

Для соединения между собой 2ух одинаковых компьютеров воспользуемся топологией шина. Эта топология подходит к нашей реализации системы благодаря своим плюсам и ввиду того, что минусы такой топологии не значительны в нашем случае.

Топология типа общая шина, представляет собой общий кабель (называемый шина или магистраль), к которому подсоединены все рабочие станции. На концах кабеля находятся терминаторы, для предотвращения отражения сигнала.

Топология общая шина предполагает использование одного кабеля, к которому подключаются все компьютеры сети. Отправляемое какой-либо рабочей станцией сообщение распространяется на все компьютеры сети. Каждая машина проверяет кому адресовано сообщение, -- если сообщение адресовано ей, то обрабатывает его. Принимаются специальные меры для того, чтобы при работе с общим кабелем компьютеры не мешали друг другу передавать и принимать данные. Для того, чтобы исключить одновременную посылку данных, применяется либо «несущий» сигнал, либо один из компьютеров является главным и «даёт слово» остальным компьютерам такой сети. Например, в сетях Ethernet (IEEE 802.3) c шинной топологией станции прослушивают занятость среды и действуют по алгоритму CSMA/CD (англ. Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection -- множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением столкновений).

Шина самой своей структурой допускает идентичность сетевого оборудования компьютеров, а также равноправие всех абонентов. При таком соединении компьютеры могут передавать информацию только по очереди, -- последовательно -- потому что линия связи единственная. В противном случае пакеты передаваемой информации будут искажаться в результате взаимного наложения (т. е. произойдет конфликт, коллизия). Таким образом, в шине реализуется режим полудуплексного (half duplex) обмена: данные могут передаваться в обоих направлениях, но лишь в различные моменты времени, а не одновременно (т. е. последовательно, а не параллельно).

В топологии «шина» отсутствует центральный абонент, через которого передается вся информация, что увеличивает надежность «шины». (При отказе любого центра перестает функционировать вся управляемая им система.) Добавление новых абонентов в «шину» достаточно простое и обычно возможно даже во время работы сети. В большинстве случаев при использовании «шины» нужно минимальное количество соединительного кабеля по сравнению с другой топологией. Правда, нужно учесть, что к каждому компьютеру (кроме двух крайних) подходят два кабеля, что не всегда удобно.

«Шине» не страшны отказы отдельных компьютеров, потому что все другие компьютеры сети продолжат нормально обмениваться информацией. Но так как используется только один общий кабель, -- в случае его обрыва нарушается работа всей сети. Может показаться, что «шине» обрыв кабеля не страшен, поскольку в этом случае остаются две полностью работоспособные «шины». Однако из-за особенности распространения электрических сигналов по длинным линиям связи необходимо предусматривать включение на концах шины специальных устройств -- Терминаторов.

Без включения терминаторов в «шину» сигнал отражается от конца линии и искажается так, что связь по сети становится невозможной. Таким образом при разрыве или повреждении кабеля нарушается согласование линии связи, и прекращается обмен даже между теми компьютерами, которые остались физически соединенными между собой. Короткое замыкание в любой точке кабеля «шины» выводит из строя всю сеть. Хотя в целом надежность «шины» все же сравнительно высока, так как выход из строя отдельных компьютеров не нарушит работоспособность сети в целом, поиск неисправностей в «шине» затруднен. В частности: любой отказ сетевого оборудования в «шине» очень трудно локализовать, потому что все сетевые адаптеры включены параллельно, и понять, который из них вышел из строя, не так-то просто.

При построении больших сетей возникает проблема ограничения на длину линии связи между узлами, -- в таком случае сеть разбивают на сегменты. Сегменты соединяются различными устройствами -- повторителями, концентраторами или хабами.

Например, технология Ethernet 10BASE-2 позволяет использовать кабель длиной не более 185 метров.

Достоинства:

- Небольшое время установки сети;

- Дешевизна (требуется кабель меньшей длины и меньше сетевых устройств);

- Простота настройки;

- Выход из строя одной рабочей станции не отражается на работе всей сети

Недостатки:

- Неполадки в сети, такие как обрыв кабеля или выход из строя терминатора, полностью блокируют работу всей сети;

- Затрудненность выявления неисправностей;

- С добавлением новых рабочих станций падает общая производительность сети.

Типичная шинная топология имеет простую структуру кабельной системы с короткими отрезками кабелей. Поэтому по сравнению с другими топологиями стоимость её реализации невелика. Однако низкая стоимость реализации компенсируется высокой стоимостью управления. Фактически, самым большим недостатком шинной топологии является то, что диагностика ошибок и изолирование сетевых проблем могут быть довольно сложными, поскольку здесь имеются несколько точек концентрации. Так как среда передачи данных не проходит через узлы, подключенные к сети, потеря работоспособности одного из устройств никак не сказывается на других устройствах. Хотя использование всего лишь одного кабеля может рассматриваться как достоинство шинной топологии, однако оно компенсируется тем фактом, что кабель, используемый в этом типе топологии, может стать критической точкой отказа. Другими словами, если шина обрывается, то ни одно из подключенных к ней устройств не сможет передавать сигналы.

Если с данной топологией работать, то можно понять на сколько она не безопасна в работе. К примеру, если повредить хоть один из проводов, часть топологии будет разорвана, до разрыва в проводе топология будет работать.

Если повредить кабель в самом начале, то вся топология не будет работать. Исправить её будет легче, нежели на других топологий, то есть элементарно, замена простого кабеля.

4. Экономическое обоснование вычислительной системы

Произведем расчет стоимости выбранной системы, с учетом всех кабелей и периферийных устройств, которые могут понадобиться при работе, терминалы ввиду наличия сенсорного экрана, оборудовать мышью и клавиатурой не требуется.

Таблица 4 - Стоимость системы

Выбрав в предыдущем разделе терминал типа моноблок, мы смогли сэкономить часть денег, ведь при выборе только системного блока пришлось бы покупать еще монитор, клавиатуру и мышь. Себестоимость встроенного монитора ниже, чем покупка его отдельно. Также в моноблоке есть встроенный модуль Wi-Fi для установки системы через беспроводную точку доступа. Этот способ является менее защищеным, нежели посредством patching-cord и коммутатор, поэтому он является не основным, а запасным.

Размещено на Allbest.ru