管殼式換熱器數(shù)值模擬的并行計(jì)算技術(shù)研究

郭崇志 肖樂(lè)

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院)

摘要：利用并行計(jì)算原理，在FLUENT軟件中對(duì)GAMBIT建模的管殼式換熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)對(duì)3種組合計(jì)算平臺(tái)所消耗的機(jī)時(shí)進(jìn)行比較，得到并行加速比和并行效率的規(guī)律，為復(fù)雜的管殼式換熱器殼程設(shè)計(jì)的工程仿真和優(yōu)化提供了一種新的處理方法。
    關(guān)鍵詞：換熱器；數(shù)值模擬；并行計(jì)算
    中圖分類(lèi)號(hào)：TQ051.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0254-6094(2011)05-0604-03
    由于換熱器的結(jié)構(gòu)多樣和流道復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果經(jīng)常因與實(shí)際存在一定偏差而難于在實(shí)際使用中得到應(yīng)有的應(yīng)用，得出的經(jīng)驗(yàn)公式的使用范圍大大受到限制，并且換熱器內(nèi)部的流動(dòng)傳熱又難以得出準(zhǔn)確的分析結(jié)果，因而現(xiàn)在對(duì)于這類(lèi)工藝分析大多采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD方式進(jìn)行工藝分析［1］。CFD計(jì)算適用性強(qiáng)，不受實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南拗疲瘦^高，并能給出各種模型在各種工況下的完整資料，因此得到廣泛的應(yīng)用［2］。
    隨著計(jì)算要求的提高，計(jì)算問(wèn)題日趨復(fù)雜化，通常需要使用昂貴的大型計(jì)算機(jī)或高配置的服務(wù)器才能解決問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，為利用基于網(wǎng)絡(luò)的并行計(jì)算系統(tǒng)解決復(fù)雜計(jì)算問(wèn)題開(kāi)辟了途徑。FLUENT并行計(jì)算技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將多臺(tái)計(jì)算機(jī)連成一個(gè)邏輯上的虛擬并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由微機(jī)網(wǎng)絡(luò)集群系統(tǒng)組合成的CFD計(jì)算平臺(tái)使許多復(fù)雜的計(jì)算流體力學(xué)問(wèn)題實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的模擬成為可能［3］。因此，研究基于網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算的CFD技術(shù)有重要的實(shí)際意義。
    1·換熱器流體模型的建立
    筆者研究的對(duì)象為某實(shí)驗(yàn)用折流桿管殼式換熱器，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:
    筒體尺寸  Φ115mm×6．5mm×1 476mm
    管板厚度  12mm
    折流桿直徑  3．2mm
    換熱管?Φ12mm×3mm(管心距19mm，采用正三角形布管)
    管程流體  水蒸氣
    殼程流體  自來(lái)水(流速為0．5m/s)
    換熱器在縱向上具有對(duì)稱(chēng)性，故可建立換熱器1/2模型，在對(duì)稱(chēng)面上Boundary Types定義為SYMMETRY，這樣能將模型網(wǎng)格減半，節(jié)省了很大的計(jì)算資源。
    2·并行計(jì)算平臺(tái)的建立
    并行計(jì)算就是將網(wǎng)格劃分成多個(gè)子域，將每個(gè)子域?qū)?yīng)到不同的計(jì)算節(jié)點(diǎn)(處理器)上，再利用多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行計(jì)算。本次并行計(jì)算采用節(jié)點(diǎn)并行來(lái)構(gòu)建并行平臺(tái)，在基于RSHD傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)連接所構(gòu)建的WINDOWS工作平臺(tái)上運(yùn)行的。并行平臺(tái)使用了4臺(tái)普通的WINDOWS-32機(jī)，該機(jī)主要配置如下:
    處理器AMD Athlon(tm)64 x2 Dual Coreprocessor 5200+2．70GH
    芯片組Advanced Micro Devices(AMD)RS780
    內(nèi)存2GB
    計(jì)算時(shí)采用FLUENT軟件內(nèi)部的自動(dòng)分割網(wǎng)格技術(shù)，自動(dòng)保證各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷平衡。
    3·殼程流動(dòng)的數(shù)值模擬
    筆者利用分段模擬技術(shù)［4］，先選取入口段進(jìn)行數(shù)值模擬。在CFD軟件FLUENT計(jì)算后可以得到換熱器殼程整體的流動(dòng)情況(圖1、2)。

            
    從圖1和圖2可看出，換熱器入口段存在較大的溫差，將產(chǎn)生很大的溫差應(yīng)力，這與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)及理論分析吻合［5］。本數(shù)值模擬得出的詳細(xì)結(jié)果能為換熱器結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化提供良好的方法。
    4·并行計(jì)算的加速比和效率的研究
    各個(gè)并行計(jì)算平臺(tái)經(jīng)過(guò)相近的迭代步數(shù)，獲得最后結(jié)果列于表1。從出口溫度、傳熱膜系數(shù)和壓降3個(gè)方面可以看出，采用并行計(jì)算并不會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，所產(chǎn)生的誤差可以視為是由FLUENT軟件殘差所引起的，這也是數(shù)值模擬迭代誤差所允許的。

           
    并行加速比N用來(lái)衡量并行系統(tǒng)或程序并行化的性能和效果，加速比N定義為相同任務(wù)量的情況下(通常采用運(yùn)行同一個(gè)任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相同的任務(wù)量)，并行處理器系統(tǒng)中求解消耗的時(shí)間Tn(n為并行機(jī)子數(shù)目)和單機(jī)運(yùn)行所需的機(jī)時(shí)T1之比，并行效率E定義為加速比N與并行系統(tǒng)中機(jī)子數(shù)目n之比，它用來(lái)衡量并行計(jì)算平臺(tái)的計(jì)算能力發(fā)揮的程度，而并行計(jì)算所節(jié)省的時(shí)間t，可以衡量出并行計(jì)算所實(shí)現(xiàn)的最終效果，具體表達(dá)式為:

    
    在理想并行系統(tǒng)下，加速比能達(dá)到N=n，并行效率E=1，但實(shí)際運(yùn)用中，受到主節(jié)點(diǎn)與支節(jié)點(diǎn)間通信能力，還有主節(jié)點(diǎn)只分配一定的計(jì)算能力來(lái)處理節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的交換所限制，理想并行系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)不了的。而節(jié)點(diǎn)數(shù)增加的時(shí)候，每節(jié)點(diǎn)所承擔(dān)的計(jì)算量將出現(xiàn)一定的下降，并行效率隨之下降。
    本換熱器算例在各個(gè)并行計(jì)算平臺(tái)所消耗的時(shí)間、相應(yīng)的加速比和并行效率見(jiàn)表2。

            
    由表2可知，采用兩節(jié)點(diǎn)、三節(jié)點(diǎn)并行計(jì)算時(shí)分別只需原來(lái)的52．730%、37．878%的時(shí)間就可以完成相同的計(jì)算任務(wù)，因此采用并行計(jì)算所節(jié)約的時(shí)間是相當(dāng)可觀的。
    通過(guò)并行加速比和效率可知，隨著計(jì)算節(jié)點(diǎn)的增加，并行計(jì)算的時(shí)間和單機(jī)計(jì)算相比大大縮短，基本能夠達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。
    5·結(jié)論
    5．1普通配置的常用PC機(jī)可成功構(gòu)建性?xún)r(jià)比較高的FLUENT并行計(jì)算平臺(tái)，充分發(fā)揮FLU-ENT軟件的數(shù)值模擬的能力，縮小了相同計(jì)算量下所消耗的機(jī)時(shí)。FLUENT的并行計(jì)算功能在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)和性能分析等方面大有可為，為CFD數(shù)值模擬的深入應(yīng)用提供了廣闊前景。
    5．2所搭建的并行計(jì)算平臺(tái)隨著并行計(jì)算的計(jì)算機(jī)數(shù)量增加而增加，但是隨之?dāng)?shù)據(jù)交換量也會(huì)增加，計(jì)算機(jī)之間的通信能力等因素將制約加速比的增加速度，從而使并行效率降低。
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