Ansys Rocky在Oracle Cloud上的2亿粒子模拟将DEM分析推向了一个新高度

Oracle云基础设施(OCI)和NVIDIA通过首次模拟2亿个粒子分析，提升了离散元建模(DEM)技术Ansys的岩石DEM软件基于OCI的裸金属图形处理单元(GPU)的形状。

NVIDIA最新的数据中心解决方案NVIDIA A100 Tensor Core GPU是本次模拟的关键组件之一。它允许gpu加速软件代码(如Rocky DEM)充分利用其容量，处理部署在DEM模拟模型中的数千万个粒子。借助Rocky的多GPU并行处理能力和OCI裸金属GPU系统的强大功能，我们可以极大地扩展应用范围，并应用DEM模拟来分析包含数亿个粒子的问题。此外，在Rocky的最新版本中，一个强大的并行负载平衡算法可以比以前的版本更有效地利用GPU资源。

最近，OCI和Ansys设计了一种气体旋风分离器，一种通常用于分离和去除气流中的颗粒的设备。这样的装置可以在我们的家用吸尘器中找到，并且有很多工业用途，包括分离磨料、污染物、粉尘颗粒以及各种生产工厂的废气。

在这项研究中，将含有颗粒的空气注入到一个厘米大小的旋风中。当空气在旋风内旋转时，不同直径的尘埃颗粒相互碰撞，从旋风的内壁反弹。快速的旋转运动使较重的颗粒向旋风壁移动，并通过底部的出口排出，而一些较细的颗粒和更清洁的气流则从顶部的出口释放出来。

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解决像2亿个粒子模拟这样大的问题需要一组强大的计算硬件，OCI以定制的云计算基础设施的形式提供这些硬件，如图1所示。这个解决方案的核心是裸金属BM.GPU4.8服务器，装载了8个NVIDIA A100 GPU，每个GPU有40gb的GPU内存，总共320 GB的GPU内存。Rocky求解器安装在Oracle Linux之上，这是一个Oracle优化的通用Linux发行版，包含了启用NVIDIA gpu和Rocky DEM软件所需的所有依赖项。

对大型模型进行后处理是一项计算密集型的任务。为此，硬件加速渲染和支持gui的实例是必须的，我们选择了虚拟机VM.GPU3.1，它配置了NVIDIA V100 Tensor Core GPU。

有了计算硬件，还有一个问题:结果的存储。庞大的模拟案例往往会生成大量的数据，这会占用大量的磁盘空间。为了避免在处理服务器BM.GPU4.8和后处理服务器VM.GPU3.1之间移动如此大量的数据，开发了一种更高效的存储解决方案。启动了第三个虚拟机，作为网络文件系统(NFS)服务器，并挂载了tb级块存储。这种存储解决方案使中间输出数据可用于动态后处理。它还允许在模拟工作完成时删除裸金属BM.GPU4.8服务器，从而创建一个更具成本效益的解决方案。类似地，可以在等待新的中间输出数据时删除后处理虚拟机。

获取结果

采用计算流体动力学(CFD)-DEM耦合方法求解。CFD部分，即气流场解，由Ansys流利并通过单向耦合方法在Rocky中使用。在另一端，Rocky负责整个DEM部分，以及粒子-流体相互作用的计算。

旋流器和CFD网格的几何结构如图2所示。气旋高度为0.3 m，直径为0.15 m，以30 m/s的速度注入空气，模拟计算时间为0.12 s。粒子在0.025秒开始离开区域，这意味着在大约5个流过时间内解决了流动问题。气流携带的粉尘颗粒大小为5 ~ 50 μm (10⁶M)，以大约20亿个粒子/秒的速度注入气旋，使气旋质量负荷达到50%左右。

仿真数字如下表1所示。

模拟的输出如下所示。粒子数从零迅速增长到数千万，形成了预期的螺旋气流模式。注入速率达到，在模拟结束时，共注入1.84亿次粒子同时在旋风中旋转。此时，大约使用了200 GB的GPU内存，剩下超过三分之一的GPU内存未使用。这是未来Rocky计算模型在OCI裸金属机器上扩展其大小的空间。

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