Simcenter STAR-CCM+ 2302: Soluzioni più veloci

La simulazione è diventata un fattore critico per uno sviluppo del prodotto efficiente in termini di tempo e risorse. Sebbene la simulazione CFD richieda molte meno risorse rispetto ai test fisici, per rimanere competitive le aziende devono fare un ulteriore passo avanti. Con un volume sempre crescente di progettazione di prodotti basati sulla simulazione, per avere un vantaggio competitivo è necessario ottimizzare il consumo energetico e i costi associati a queste simulazioni ad alta fedeltà. In definitiva, un gemello digitale sostenibile, efficiente dal punto di vista dei costi e dell’energia è un fattore distintivo e un vantaggio competitivo nello sviluppo di prodotti virtuali.
Con Simcenter STAR-CCM+ 2302 è adesso possibile eseguire simulazioni CFD più grandi e più veloci a costi ed consumi energetici inferiori, grazie alla tecnologia delle CPU Advanced Reduced Instruction Set Computer Machines (ARM).

Attualmente, la tecnologia è supportata da Linux e disponibile attraverso diversi fornitori di cloud, come le istanze EC2 di AWS o il supercomputer Fugaku realizzato da Fujitsu in Giappone.
Con il supporto ARM è stata aggiunta un’altra opzione per eseguire la simulazione CFD in un panorama di architetture hardware sempre più eterogenee. Che si tratti di GPU o CPU, on-premises o cloud, ARM o CPU convenzionali, Simcenter STAR-CCM+ offre una varietà di opzioni per massimizzare il throughput.

Simcenter STAR-CCM+ 2302 è dotato di un overhead di memoria ridotto sulle GPU che consente di inserire modelli più grandi su una singola GPU con immediati vantaggi in termini di prestazioni.

In genere, la dimensione della simulazione che può essere eseguita sulle GPU è limitata dalla memoria disponibile (RAM) di una scheda GPU. Pertanto, riducendo il consumo di memoria di una determinata simulazione, è possibile inserire griglie più grandi in una singola GPU. Questo è particolarmente utile perché le prestazioni più efficienti delle GPU si ottengono quando le schede sono “al massimo”, ovvero quando si inserisce il maggior numero possibile di celle in una singola scheda.

Per massimizzare i vantaggi, Simcenter STAR-CCM+ 2302 è dotato di un overhead di memoria ridotto e di prestazioni migliorate rispetto alle versioni precedenti grazie a un uso più efficiente di AmgX e agli aggiornamenti di CUDA, l’API di NVIDIA. In aggiunta ai vantaggi prestazionali delle GPU già presenti nelle versioni precedenti, questi miglioramenti comportano una riduzione della memoria fino al 40% e miglioramenti delle prestazioni di runtime fino al 10%. A titolo di esempio, una singola NVIDIA A100 con 80 GB di memoria può ora ospitare circa 60 milioni di celle trimmed in precisione mista.
Con questi miglioramenti continuiamo la nostra strategia per supportare simulazioni CFD veloci ed efficienti su GPU, mantenendo la coerenza con i risultati basati su CPU.

In Simcenter STAR-CCM+ 2302, abbiamo introdotto un nuovo schema implicito non stazionario per il risolutore di flusso segregato: SIMPLE-Consistente, il cosiddetto SIMPLEC. SIMPLEC consente un’accelerazione significativa per la simulazione di flussi transitori, pur ottenendo la stessa precisione di SIMPLE.

Oltre ai vantaggi offerti dal nuovo hardware e dalla scalabilità massiccia del calcolo ad alte prestazioni, l’accelerazione della simulazione CFD attraverso tecniche di solutore più efficienti rimane il modo più efficace in termini di costi per andare più veloce.
In Simcenter STAR-CCM+ 2302, è stato introdotto un nuovo schema implicito non stazionario per il solutore di flusso segregato: il SIMPLE-Consistent, detto SIMPLEC.
SIMPLEC consente un’accelerazione significativa per la simulazione di flussi transitori, grazie a una convergenza più profonda della soluzione all’interno del passo temporale. Grazie a SIMPLEC è possibile ottenere la stessa precisione di SIMPLE con un numero ridotto di iterazioni interne per passo temporale. L’utilizzo di criteri di arresto per le iterazioni interne basati sulla convergenza rende superflua la messa a punto dei settaggi per il nuovo schema SIMPLEC.
L’utilizzo di SIMPLEC consente di ridurre fino al 30% il tempo di esecuzione totale per applicazioni che spaziano dall’aerodinamica esterna dei veicoli, all’aeroacustica degli specchietti laterali e di sistemi HVAC, fino alla formazione di ghiaccio sulle ali degli aerei. Il tutto garantendo la coerenza dei risultati tra gli approcci SIMPLE e SIMPLEC. E senza costi di licenza aggiuntivi.

Il potenziale del solutore Implicit Multi-Step per accelerare le simulazioni MMP-LSI è illustrato da questo esempio di lubrificazione del cambio. Quando si utilizzano 16 sub-steps, l’incremento di velocità si avvicina a 4 volte.

In applicazioni come la lubrificazione a sbattimento degli ingranaggi, le gocce possono rompersi in dimensioni sempre più piccole, fino a quando non è più possibile modellare le gocce molto piccole come particelle lagrangiane. Allo stesso tempo, è necessario modellare la superficie libera del liquido sfuso. Per tali applicazioni, la miscela multifase con modellazione di interfaccia su larga scala (Mixture Multiphase with Large Scale Interface modelling o MMP-LSI) è diventata il metodo più indicato. In generale, l’MMP-LSI è rilevante in tutti i casi in cui il volume del fluido (VOF) è troppo costoso ed è presente una miscela.
Ma proprio come il VOF, l’MMP-LSI ha un costo comparabilmente elevato se non si riesce a disaccoppiare la scelta del passo temporale del flusso da quello necessario per soddisfare il piccolo passo temporale richiesto per il VOF a causa dei vincoli del numero di Courant (CFL). Per superare questa sfida, in precedenza STAR-CCM+ ha reso disponibile lo schema Implicit Multi-Step per VOF, dove le simulazioni sono state accelerate in genere di 3-4 volte e in alcuni casi di un ordine di grandezza.

In Simcenter STAR-CCM+ 2302 è stata aggiunta la stessa funzionalità per MMP-LSI. La funzione Implicit Multi-Step consente di utilizzare un tempo più ampio per il flusso (esclusa la frazione di volume) effettuando un sub-step per la frazione di volume più volte all’interno del tempo del flusso. Questo disaccoppia la scelta del passo temporale del flusso da quella richiesta per la frazione di volume a causa dei vincoli della CFL.

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