其實(shí)在CFD領(lǐng)域利用GPU并不是一個(gè)新概念，使用GPU加速CFD求解已經(jīng)有一段時(shí)間了（Ansys Fluent于2014年提供），但傳統(tǒng)的GPU加速往往無(wú)法完全擺脫CPU進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算，CPU和GPU之間的數(shù)據(jù)交換會(huì)造成相當(dāng)程度的性能損失。

Ansys Fluent 在2021 R1版本開(kāi)始提供了原生的GPU求解器，可完全在 GPU上運(yùn)行求解器代碼，避免了CPU和GPU之間交換數(shù)據(jù)的開(kāi)銷以充分發(fā)揮 GPU的潛力，與CPU求解器相比，GPU求解器可以提高性能、降低硬件成本及功耗。

例如對(duì)于一個(gè)上億網(wǎng)格的車輛外部空氣動(dòng)力學(xué)仿真而言，GPU求解器可以將求解效率提升5倍，如果使用多個(gè)GPU甚至可以提升至30倍。

同等性能的情況下，GPU相較于CPU，能耗可以降低4倍甚至更多。

眾所周知，GPU相較于CPU在數(shù)值精度和算法穩(wěn)定性上還存在一定的差距，但Fluent的GPU求解器有相當(dāng)高的精度，例如對(duì)于經(jīng)典的球體擾流問(wèn)題，其阻力系數(shù)誤差僅為-0.252%。

特別是對(duì)于工程應(yīng)用，如果能通過(guò)GPU求解器在每項(xiàng)任務(wù)上節(jié)約幾小時(shí)，那么全年下來(lái)節(jié)約的時(shí)間會(huì)十分可觀

支持的GPU和驅(qū)動(dòng)程序

Fluent GPU求解器基于NVIDIA開(kāi)發(fā)的CUDA API實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算，因此只支持NVIDIA的GPU。

支持的NVIDIA GPU包括NVIDIA Tesla和Quadro系列，不同的GPU對(duì)操作系統(tǒng)也有一定的要求（64位版本的Linux或Windows）。

Fluent在2024 R1版本開(kāi)始測(cè)試支持AMD gpu，包括AMD MI250

Nvidia GPU的驅(qū)動(dòng)程序必須兼容CUDA 11.0或更新版本。

在cmd或終端輸入nvidia-smi，可以檢查GPU型號(hào)、驅(qū)動(dòng)版本、CUDA版本等信息。

啟用Fluent GPU求解器

啟用Fluent的GPU求解器有兩種方法：

• 使用Fluent啟動(dòng)器

• 使用命令行

使用Fluent啟動(dòng)器

如圖所示，GPU求解器僅支持企業(yè)級(jí)許可，切換至企業(yè)級(jí)許可后勾選本地GPU求解器選項(xiàng)即可。

如果有多個(gè)GPU可以分別進(jìn)行控制，但指定的CPU進(jìn)程數(shù)量必須大于GPU數(shù)。

通過(guò)命令行啟動(dòng)

對(duì)于Windows，在從命令行啟動(dòng)Fluent GPU求解器之前，通過(guò)執(zhí)行位于Ansys Fluent目錄中的setenv.exe程序(例如，c: \ program Files\ Ansys Inc\v232\ Fluent \ntbin\win64)，確保到主目錄的路徑在命令搜索路徑環(huán)境變量中。

在命令行鍵入以下命令即可開(kāi)啟GPU求解器

單精度
fluent 3d -tn -gpu 
雙精度
fluent 3ddp -tn -gpu

GPU求解器支持的功能

以下是GPU求解器支持的主要功能

基本：

• 僅支持3D幾何

• 支持單精度/雙精度

• 支持可壓縮流動(dòng)

• 支持共軛傳熱

湍流模型：

• Laminar

• Standard 、Realizable k-epsilon

• k-omega GEKO 、 k-omega SST

• Large Eddy Simulation (LES)

求解：

• 支持基于壓力的求解器

• 支持絕對(duì)速度形式

• 支持瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)計(jì)算

邊界條件：

• 支持壁面、對(duì)稱、平移周期對(duì)稱、旋轉(zhuǎn)周期對(duì)稱等邊界條件。

• 支持多孔介質(zhì)

• 支持動(dòng)網(wǎng)格，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)

• 支持源項(xiàng)

• 支持組分輸運(yùn)

GPU求解器的局限性

下面包含了當(dāng)前Fluent GPU（截止至2024R1）求解器的限制:

• GPU求解器在Ansys Workbench環(huán)境中不可用。

• 不支持圓柱坐標(biāo)系中的Profiles，包括用于旋流入口的Profiles。

• 必須在初始化或求解之前定義監(jiān)視器（Monitors）和報(bào)告定義（Report definitions）。此外，如果求解器設(shè)置從穩(wěn)定更改為瞬態(tài)，則可能需要重新定義報(bào)告定義。

• 當(dāng)檢測(cè)固定壁面的動(dòng)壓（Dynamic Pressure）時(shí)，結(jié)果會(huì)為0。但是，使用報(bào)告計(jì)算的結(jié)果將顯示一個(gè)不正確的非零值。

• GPU求解器支持靜態(tài)表達(dá)式（Static expressions），但不推薦使用。

• 使用 GPU 求解器模擬超音速流動(dòng)時(shí)，壓力入口、速度入口和壓力出口處的流動(dòng)將無(wú)法正確離散，在這些邊界類型處的流動(dòng)將被視為亞音速流動(dòng)。

• 在對(duì)不可壓縮或不可壓縮理想氣體材料進(jìn)行能量方程建模時(shí)，基于cpu求解器和GPU求解器計(jì)算的溫度場(chǎng)可能不同。這是由于兩個(gè)求解器在計(jì)算不可壓縮流時(shí)使用了不同的能量公式(總能量和熱能)。、

• 當(dāng)使用二階瞬態(tài)重新啟動(dòng)模擬時(shí)，求解器在重新啟動(dòng)后的第一個(gè)時(shí)間步使用一階向后歐拉格式。

GPU求解器的顯存占用

Fluent GPU求解器的顯存消耗取決于案例的大小、網(wǎng)格類型、啟用的模型、精度和某些求解器設(shè)置。

相較于內(nèi)存，顯存往往更少且難以擴(kuò)展，因此在計(jì)算前需要對(duì)算例的顯存占用進(jìn)行估計(jì)。

通過(guò)以下幾點(diǎn)可以幫助估算顯存的占用情況:

• 當(dāng)用六面體網(wǎng)格，單精度，一百萬(wàn)單元模擬湍流時(shí)，需要約1GB的GPU內(nèi)存。

• 啟用雙精度將會(huì)提高50%顯存占用。

• 多面體網(wǎng)格將會(huì)提高20%到40%的顯存占用。

• 在AMG求解器聚合類型中使用最大獨(dú)立集可以減少GPU20%到25%的顯存占用。

• 在控制臺(tái)中執(zhí)行以下命令為AMG求解器啟用最大獨(dú)立集:

(rpsetvar 'gpuapp/aggregation-method "mis")

參考資料