高精度流場模擬平台：兼具多功能、高精度、高彈性  滿足不同物理現象模擬需求

貢獻撰文研究成員：張朝亮、郭芳安、陳冠霖

流體力學廣泛地存在自然界、科學和工程領域中，是與人類生活和社會經濟發展最緊密的學門之一。利用流體計算模擬的方法，不僅幫助人類探討流體的物理世界，更成為解決相關科學及工程問題的一大利器。

流體模擬平台對科學及工程研究的重要性無庸置疑，從航太國防到汽車工業、能源產業、生物醫學、環境科學、工程建築、氣象觀察等等，與物質流動、能量傳遞相關者都可透過此平台進行模擬分析，以提升產品設計速度、運作效能，不僅為研發提供精確可靠的數據，還可助實現真實世界中昂貴且費時的實驗。為協助臺灣打造屬於國內自主性和前瞻性的高精度模擬平台，國網中心結合高精度數值計算方法與高效能平行計算技術自行研發，以因應複雜的流體問題挑戰。

 
流體流經一水下載具之渦度與Q-criterion分佈圖(140 million cells)

從功能面來看，國網中心高精度流場模擬平台具備四大特點，包括非結構性網格功能、高精度時空間求解器、高度平行計算及創新地使用容器化封裝技術開發增加跨平台的易用性。首先是平台採非結構性網格技術，能處理各式各樣幾何外形的物體建模，以探究物體與外部複雜的物理現象和環境互動作用力關係，物體從簡單形狀到極其複雜的外觀均可精準模擬。其次是高精度時空間求解器，國網中心研發的求解器基於Space-Time CESE方法設計，在時間與空間上都具有極高運算精度，同時內建支援多種紊流模型，可有效處理各種網格類型。

第三是強大的運算能力，高精度流場模擬平台的效能突出，平台運行超過1000顆CPU的效率高達84%、即使超過2000顆CPU，效率仍有64%，可輕鬆平行駕馭多個電腦計算核心應對大規模模擬。第四是創新容器化技術，國網中心團隊利用容器化技術將軟體應用程序封裝在容器模組中，並與底層硬體如高速網路InfiniBand高度相容，使用者無需重編程式碼就可將軟體輕鬆快速地部署於不同平台，大幅簡化安裝工作。

國網中心的高精度流場模擬平台不僅應用於流體力學，還可以廣泛用於多種不同的場景和物理守恆現象，應用領域則包括太空研究、海洋能源開發、海底生態、國防與能源。近期國網中心將開始與國家太空中心合作，透過平台的模擬分析功能，研發火箭、太空載具等設備。在海洋領域，則將用於臺灣海岸的海流分析，促進海洋能源開發，同時也可進行聲學、生物影響等海底生態學研究。

多功能性和高精度讓此流場模擬平台成為一個強大工具，國網中心透過內部高速運算資源，強化平台的精準度、靈活性與易用性，從而提高國內產學研單位計算精度，並進行更深入的物理現象分析，為創新研究思路提供更合適的平台。國網中心的高精度流場模擬平台仍處於測試階段，將優先開放合作單位使用，未來更臻成熟時將提供給科研計畫和業界，希望透過多方合作提升平台的功能和應用範圍，加速我國的未來科學與工程應用發展。




 超音速流體經過一旋轉方形物體之密度梯度分佈圖(Immersed boundary method @ Re=200)