突破不規則粗糙表面紊流模擬瓶頸 國網中心助力成大打造散熱科研新里程

高精度計算流體力學向來是科學研究與工程應用的重要課題。其中不規則粗糙表面的自然對流現象研究，由於涉及高度複雜的物理機制與巨量運算需求，傳統運算設備往往難以勝任。成功大學高效能平行化計算流體力學研究室李崇綱教授研究團隊攜手國網中心，透過創進一號(Forerunner 1)前導測試計畫的高效能運算資源，成功突破運算瓶頸，完成了前所未有的大規模紊流模擬(Turbulent Natural Convection on an Irregular Rough Surface, TNCIRS)。這項創新研究不僅展現了高效能計算設施在尖端科研的關鍵角色，更為電子產品散熱、建築節能等領域帶來重要突破。

自然對流散熱是影響人類生活最重要的物理現象之一，其應用範圍橫跨微觀到宏觀尺度。李崇綱表示，在微觀層面，這是電子元件最經濟且有效的散熱方式，其中表面粗糙度(通常小於1mm)會因製程與材料特性而影響散熱效率；在宏觀層面，則可應用於模擬城市地貌所產生的自然對流現象，尺度可達數公里。然而，儘管TNCIRS對人類生活與社會發展舉足輕重，過去研究多侷限於規則粗糙表面的自然對流，對於更貼近實際情況的不規則粗糙表面研究仍顯不足。

李崇綱的研究團隊開發並優化全域可壓縮流求解程式，以創新技術模擬更接近實際狀況的不規則粗糙表面，開發出可依參數調整產生不同粗糙度的演算法，並透過極細微網格精確捕捉表面特徵。在層流階段，該團隊利用台灣杉一號、三號超級電腦完成約4億網格的模擬，成果已發表於全球知名科學期刊。

進入更具挑戰性的紊流階段後，模擬規模擴增至百億網格，最小網格可達0.05毫米，加上需要較長時間達到穩定狀態，已超出傳統運算平台能力。透過使用創進一號約八成的算力(44,800個CPU核心運算)，團隊在40小時內完成了這項前所未有的大規模模擬，較一般計算伺服器(約128核)所需的15,000小時大幅提升375倍效能。在研究過程中，團隊發現，傳統認為增加散熱表面積能提升散熱效率的觀點需要修正，不規則表面可能導致流體結構破碎，反而降低散熱效率，這項發現對產業界在電子元件設計和製程管理提供了重要的參考依據。

在此計畫中，國網中心扮演關鍵角色。除了提供運算資源外，國網中心更協助團隊克服大規模運算的技術挑戰。特別是在處理MPI配置、輸出入效能優化等議題上，中心研究人員提供即時協助，確保計算穩定性。李崇綱指出，從此一跨領域合作計畫中，可看到國家級計算設施對學術研究的重要支援，也為之後的相關大規模科學計算專案建立起良好典範。

對於未來規劃，李崇綱表示研究團隊將持續深入進行紊流強度的統計分析，完整解析TNCIRS的物理機制，建立不同粗糙度分布與散熱效率的關聯性，開發預測模型，提供快速評估及優化設計的工具，為台灣社會與產業發展建構重要的理論基礎。

計算網格分布圖

流場速度圖

流場受到不規則粗糙面影響而破碎成較小結構