阿贡对内燃机内部流动进行大规模模拟

新能源汽车讯 据外媒报道，美国能源部阿贡国家实验室的科学家们对内燃机内部的流动过程进行有史以来最大规模的计算机模拟，帮助汽车制造商设计更加环保的发动机。阿贡能源系统部门（ES）计算多物理小组的经理Sibendu Som表示：“这是重要的里程碑之一，阿贡还会出现更多这样的里程碑。”

（图片来源：alcf官网）

大约一年半前， Som和阿贡ES运输研究中心的科学家Muhsin Ameen，提出进行直接数值模拟（DNS）的想法，以精确地了解内燃机内部的所有湍流尺度。然而，Ameen表示，在真正进行模拟之前，必须先进行小规模操作，以确保能按计划进行最大规模的模拟过程。通过模拟提供更详细的湍流视图，可以为汽车制造商提供依据，评估若干发动机设计，找出最佳设计理念。但是，他们的资源有限。

进行大规模模拟，需要更大更好的资源，比如美国能源部科学用户设施办公室阿贡领导力计算设施（ALCF）的Theta超级计算机。Ameen和Som与阿贡计算科学部门的助理计算科学家Saumil Patel合作，请Patel帮助进行预处理和后处理，并开发算法。2019年夏天，在Patel的协助下，Ameen通过美国能源部的高级科学计算研究办公室（ASCR）领导计算挑战项目，获得使用Theta计算的时间。

Theta中的计算，通过阿贡的流体－热模拟代码Nek5000进行。1999年，该代码因其在高性能并行计算机上出色的可量测性，而获得了戈登贝尔奖。目前，Nek5000主要由阿贡开发，并且可扩展到数百万处理器。新版NekRS正在研发过程中，其目标是基于加速器的机器，并得到了高效外扩离散中心（属于美国能源部外显子计算项目）的支持。

在对目前的计算进行开发的早期阶段，研究人员曾咨询过Nek5000的首席设计师Paul Fischer。Fische是阿贡数学和计算机科学系的资深科学家，也是伊利诺伊大学香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）计算机科学和机械科学与工程系的教授。

科学家们对Nek5000进行调整，以用于改进的燃烧模型。经过多年的工作，终于在今春完成了对内燃机内部流动的直接数字模拟。Ameen说：“目前所做的模拟工作，是第一次对内燃机内部的流动和传热进行直接数值模拟，旨在真实模拟发动机的几何形状和工作条件。”进行这类模拟，需要在Theta超级计算机的51328个核心上，获得20亿度的自由度，以追踪速度、压力和温度等信息。“这是迄今为止对内燃机内部流动最详细的模拟之一”Ameen称。

从当前工作中生成的DNS数据集，将在几个方面对汽车制造商有用。有关发动机内部的速度、压力和温度分布等详细信息，将阐明缸内过程，而这些过程是实验或低逼真度模拟无法达到的。此外，数据集将作为一个模拟基准，引导建模者评估和提高工程子模型的准确性。这项研究也可能有利于重型发动机公司。