Schlussbericht zum DLR-Beitrag "Skalierbare Numerikverfahren für Aerodynamiksimulationen" ("SIENA") im LuFo-V-3-Verbund "Hochskalierbare parallele Methoden für die numerische Simulation in der Luftfahrttechnologie für eine massive Digitalisierung in der Fluggeräte- und Triebwerksentwicklung" ("Towards highly scalable algorithms for numerical simulations in aeronautics": "TOSCANA"), Laufzeit: 1/2018-12/2021

Abstract

Das Vorhaben "Skalierbare Numerikverfahren für Aerodynamiksimulationen" ("SIENA") des DLR im Rahmen des dritten Aufrufs des fünften zivilen Luftfahrtforschungsprogramms (LuFo V-3) bildet zusammen mit Vorhaben sechs weiterer Partner den LuFo-V-3-Verbund "Hochskalierende parallele Methoden für die numerische Simulation in der Luftfahrt" ("TOwards highly SCalable Algorithms for Numerical simulations in Aeronautics", kurz: "TOSCANA"). Das Vorhaben SIENA zielt ab auf eine verbesserte und insbesondere zukunftssichere Nutzung von Hochleistungsrechnen (HPC) für numerische Simulationen in der Flugzeugaerodynamik und der Antriebstechnik. Dazu werden aktuelle Entwicklungen im Bereich des Hochleistungsrechnens in Parallelisierungskonzepte umgesetzt und konkret in den in SIENA weiterentwickelten numerischen Werkzeugen realisiert. Damit ist die Skalierbarkeit von CFD-Rechnungen um den Faktor 10 verbessert gegenüber 2016. Auch die Beschleunigung einzelner CFD-Simulationen um den Faktor 10 (auf aktueller Hardware im Vergleich zu einer Simulation mit einem Referenz-Löser) wurde demonstriert. Die wichtigsten Ergebnisse, die in SIENA realisiert wurden, sind: - Überarbeitung des HPC-Layer im CFD-Löser Flucs (heute Teil von CODA) zur effizienten und zukunftssicheren Nutzung von HPC-Technologie mit dem Fokus auf einer Hardware-adäquaten Multi-Level-Parallelisierung. - Überarbeitung des HPC-Layer in der Spliss-Löser-Bibliothek für dünnbesetzte lineare Gleichungssysteme mit dem Ziel einer effizienten und zukunftssicheren Nutzung von HPC-Technologie. Der Fokus liegt auf einer Parallelisierung, die neben der Nutzung von geteiltem Speicher die Nutzung von SIMD (Single Instruction / Multiple Data) sowie von 1-seitiger Netzwerk-Kommunikation effektiv unterstützt. - Erweiterung der multidisziplinären Simulationsumgebung FlowSimulator, nämlich des Plug-Ins zur Netzdeformation vermöge Elastizitätsanalogie, hinsichtlich der Nutzung geteilten Speichers als zweite Parallelisierungsebene, um eine möglichst durchgängige 2-Level-Parallelisierung im FlowSimulator von CFD/CSM-Simulationen mit CODA als CFD-Löser zu ermöglichen. Neben diesen HPC-ausgerichteten Verbesserungen vorhandener Funktionalitäten haben die Arbeiten in SIENA ferner die folgenden funktionalen Erweiterungen realisiert: - Erweiterung des Diskontinuierlichen Galerkin-Verfahrens (DG-Verfahren) höherer Ordnung in CODA um die Fähigkeit der lokalen hp-Adaption - Erweiterung der Netzdeformation auf Basis der Elastizitätsgleichungen für Netze mit Zellen höherer Ordnung - Erweiterung der Spliss-Löser-Bibliothek hinsichtlich der Unterstützung für Multi-Block-Vektoren-Problemstellungen wie sie sich bspw. aus dem Harmonic-Balance-Verfahren ergeben sowie hinsichtlich Matrix-freier Algorithmen für dünnbesetzte lineare Probleme wie sie bei der Diskretisierung auf strukturierten Netzen entstehen.