第21回 ビジュアリゼーションカンファレンス 京コンピュータによる 回転機械の流れの計算と可視化 2015/11/7（土） 2015/11/7（土） ○山本 敏之 川本 英樹 小笠 温滋 坂本 清隆 小田切 貞憲 川崎重工業㈱ 川崎重工業㈱ 川崎重工業㈱ 富士通㈱ ㈱富士通システムズ・イースト (一財) 一財)高度情報科学技術研究機構 高度情報科学技術研究機構 目次 背景 目的 並列可視化ライブラリについて 並列可視化ライブラリについて 可視化の実行方法 可視化の実行方法 回転機械の流れの可視化結果 まとめと今後の予定 © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 2 目次 背景 目的 並列可視化ライブラリについて 並列可視化ライブラリについて 可視化の実行方法 可視化の実行方法 回転機械の流れの可視化結果 まとめ今後の予定 © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 3 背景 川崎重工業㈱ 陸・海・空の輸送機器をはじめ 多種多様な製品を世に送り出す総合ものづくりメーカ © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 4 背景 製品の性能向上および信頼性向上のため 様々な製品に高度な流体解析（CFD）を駆使 ）を駆使 様々な製品に高度な流体解析（ 鉄道車両 モータサイクル 回転機械 （トンネル換気ファン） さらなる流体解析技術の高度化に向けて 2013年度より「京コンピュータ」を使用 年度より「京コンピュータ」を使用 © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 5 背景 製品の設計＆性能評価には流体解析（CFD：Computational Fluid Dynamics）を多用している 現状の流体解析は定常解析ベースで時間平均的な特性を評価 計算規模の制限より製品の一部のみをモデル化 製品のさらなる性能向上および信頼性向上のためには非定常 特性の評価が重要 大規模解析により製品全体をより詳細にモデル化 当社では大規模非定常流体解析技術の構築を実施中 © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 6 背景 例）発電用ガスタービン 規模100倍 倍 規模 規模30倍 規模 倍 単段定常解析 単段定常解析 （部分モデル） 多段定常解析 多段定常解析 （部分モデル） 規模10万倍 規模 万倍 多段定常解析 多段定常解析 （全周モデル） 多段非定常 多段非定常解析 非定常解析 （全周モデル） 「京コンピュータ」を使用することで初めて実現可能 © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 7 背景 【課題】 課題】 京コンピュータで計算した大規模非定常流体解析 京コンピュータで計算した大規模非定常流体解析結果のデータ 非定常流体解析結果のデータ転 結果のデータ転 送には多大な時間を要する 送には多大な時間を要する 【解決策】 解決策】 京コンピュータ上で（大容量 京コンピュータ上で（大容量のデータ転送を必要と で（大容量のデータ転送を必要とせず） のデータ転送を必要とせず） 可視化を可能とする手段が必要である 10億格子点規模 億格子点規模 （一財）高度情報科学技術研究機構（ （一財）高度情報科学技術研究機構（RIST） ） 様 情報科学技術研究機構（ まで対応可 まで対応可 の支援 Paraview並列・リモート可視化により 並列・リモート可視化により 京プリポストノードを用いたリモート可視化が可能 ㈱富士通 様、RIST様の支援 様の支援 様、 粒子ベースボリュームレンダリング法に基づく 並列可視化ライブラリによりさらなる大規模化 さらなる大規模化に対応 並列可視化ライブラリによりさらなる大規模化に対応 © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 8 目次 背景 目的 並列可視化ライブラリについて 並列可視化ライブラリについて 可視化の実行方法 可視化の実行方法 回転機械の流れの可視化結果 まとめと今後の予定 © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 9 目的 大規模非定常流体解析 大規模非定常流体解析結果の可視化のため、 非定常流体解析結果の可視化のため、 粒子ベースボリュームレンダリング法に基づく 粒子ベースボリュームレンダリング法に基づく 並列可視化ライブラリにより 並列可視化ライブラリにより10億格子点以上の可視化 より 億格子点以上の可視化を 億格子点以上の可視化を 京コンピュータ上で実施する 対象：回転機械 産業用 ガスタービン © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved トンネル 換気ファン 過給機 10 目次 背景 目的 並列可視化ライブラリについて 並列可視化ライブラリについて 可視化の実行方法 可視化の実行方法 回転機械の流れの可視化結果 まとめと今後の予定 © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 11 並列可視化ライブラリについて スーパーコンピュータによる数千～数万並列規模の超大規模並列 計算結果をそのまますぐに可視化して全体像を俯瞰するツール 構造格子データ 非構造格子データ © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 12 並列可視化ライブラリについて 並列可視化ライブラリのメリット ・京コンピュータの計算ノード上 ・京コンピュータの計算ノード上、 計算ノード上、プリポストノード上で可視化する プリポストノード上で可視化する ことにより計算結果データの転送を不要 ことにより計算結果データの転送を不要と 計算結果データの転送を不要とし、必要な画像データ のみを抽出可能 のみを抽出可能 © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 13 並列可視化ライブラリについて ・粒子ベースボリュームレンダリング法※ （PBVR： ：Particle-Based Volume Rendering） ） を採用 ※京都大学 小山田研究室 で考案 PBVRの概念図 の概念図 © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 14 並列可視化ライブラリについて PBVRのメリット のメリット ・3次元計算空間全体の物理量の分布状況を一目で俯瞰するのに 次元計算空間全体の物理量の分布状況を一目で俯瞰するのに 適する 〔並列可視化ライブラリにおける今回の改良 並列可視化ライブラリにおける今回の改良〕 の改良〕 3次元解析空間 次元解析空間に 次元解析空間において 流体解析結果の可視化評価に必要な以下 流体解析結果の可視化評価に必要な以下を可能とした な以下を可能とした ・壁面表示 ・スライス（断面）表示 ・等値面表示 等値面表示 © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 15 目次 背景 目的 並列可視化ライブラリについて 並列可視化ライブラリについて 可視化の実行方法 可視化の実行方法 回転機械の流れの可視化結果 まとめと今後の予定 © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 16 可視化の実行方法 【作業環境】 作業環境】 ハードウェア ●京コンピュータのプリポストノード ●京コンピュータのプリポストノード ・データ分割（plt形式 形式）の実行 ・データ分割（ 形式⇒ 形式⇒VTU形式）の実行 ・可視化用プログラムの実行 ●京コンピュータの計算ノード ●京コンピュータの計算ノード ・可視化用プログラムの実行 ソフトウェア ●C言語、 言語、MPI 言語、 ●並列可視化ライブラリ © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 17 可視化の実行方法 解析結果のplt形式ファイル 解析結果の 形式ファイル ↓ VTU形式に変換 形式に変換 ↓ 並列可視化ライブラリ ↓ 可視化結果画像ファイル の出力 可視化結果画像ファイル © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 18 目次 背景 目的 並列可視化ライブラリについて 並列可視化ライブラリについて 可視化の実行方法 可視化の実行方法 回転機械の流れの可視化結果 まとめと今後の予定 © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 19 回転機械の流れの可視化結果 【可視化の目的】 可視化の目的】 性能評価 ・流体性能（流速、損失） ・騒音評価（音（＝圧力の伝播）） 【可視化対象】 可視化対象】 トンネル換気ファン © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 20 回転機械の流れの可視化結果 【解析領域と解析モデル】 解析領域と解析モデル】 回転翼 © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 静止翼 21 回転機械の流れの可視化結果 【解析格子】 解析格子】 2000万格子点 万格子点 © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 2億格子点 億格子点 22 回転機械の流れの可視化結果 トンネル換気ファン 内部の流速 内部の流速分布（＋壁面表示） の流速分布（＋壁面表示） 下流 上流 流れの乱れを解像 スライス表示 2000万格子点 万格子点 © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 2億格子点 億格子点 23 回転機械の流れの可視化結果 下流 トンネル換気ファン 上流 内部の 内部の流速の等値面表示（＋壁面表示） 流れの乱れを解像 2000万格子点 万格子点 © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 等値面表示 2億格子点 億格子点 24 回転機械の流れの可視化結果 トンネル換気ファン 外部の微小圧力（＝音波）分布 下流 上流 微小圧力（＝音波）を解像 2000万格子点 万格子点 © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved スライス表示 2億格子点 億格子点 25 回転機械の流れの可視化結果 トンネル換気ファンの2億格子点データ トンネル換気ファンの 億格子点データ データ分割数 ：32 （並列計算数2048） ） （並列計算数 タイムステップ数 ：81 ファイルサイズ ：0.9GB/rank 総ファイルサイズ：約 総ファイルサイズ：約2.4TB ：約 結果データ 可視化ライブラリ 実行結果 （京プリポストノードで実行） 総ファイルサイズ 約2.4TB 14MB データ転送時間（WAN20MB/s) 約33時間 1秒 可視化時間/ステップ - 可視化総時間 - 16秒 22分 © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 26 目次 背景 目的 並列可視化ライブラリについて 並列可視化ライブラリについて 可視化の実行方法 可視化の実行方法 回転機械の流れの可視化結果 まとめと今後の予定 © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 27 まとめと今後の予定 【まとめ】 まとめ】 並列可視化ライブラリを用いて、京コンピュータで計算した解析 結果の可視化を実施した 流体解析結果で必要な可視化評価方法（壁面表示、断面表示、 等値面表示）を並列可視化ライブラリに追加することにより、より 詳細かつ多角的な可視化が可能となった 2000万格子点、2億格子点においても並列可視化ライブラリで正 常に描画でき、10億格子点以上を可視化可能な見込みが得ら れた © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 28 まとめ今後の予定 【今後の予定】 今後の予定】 10億格子点以上に対して、並列可視化ライブラリを用いた可視 化の実行 In Situ可視化環境の構築（計算実行と同時に結果を可視化） 実現を目指す © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 29 One Kawasaki Land. Sea. Air. worldwide © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 30 © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 31 参照資料 ・川崎重工技報 ・川崎重工業㈱ HP http://www.khi.co.jp/ ・（一社） 一社）日本機械学会論文 日本機械学会論文 「粒子ベースボリュームレンダリング法による超大規模計算結果 データの可視化技術」 小笠ら ・富士通㈱ 並列可視化ライブラリ製品概要 http://www.fujitsu.com/jp/solutions/businesstechnology/tc/sol/pbvr/summary/ © 2015 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. All Rights Reserved 32
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