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第2回 流体解析ソフトOpenFOAMのスーパーコンピュータ活用メリット

第2回目はOpenFOAMの利用を検討されている方の参考に、オープンソース流体解析OpenFOAMの現状とFOCUSスーパーコンピュータとPC(6coreCPU)とのOpenFOAMの計算速度を比較した結果をご紹介します。

OpenFOAMの概要と特徴

OpenFOAMはC++で開発されたオープンソースの流体計算用ライブラリで、英国のOpenCFD社が開発しており、OpenCFD社のWebサイトから無償でダウンロードすることができます。

配布パッケージには、OpenFOAMライブラリを用いて開発されたソルバ(標準ソルバと呼ばれる)と、これらソルバで実行可能な例題およびソースファイルが添付されています。簡易メッシャと可視化ツールも同梱されており、インストールした直後から計算を実行して可視化までを行うことができます。

FOAMとは

「FOAM」はField Operation And Manipurationの略であり、流体を記述する偏微分方程式を有限体積法によって離散化して解くためのデータ構造と演算がクラスライブラリとして整備されています。

離散化手法は非構造メッシュに対応しており、4面体や6面体のみならず任意の数の面で構成される多面体メッシュが利用可能です。OpenFOAMには領域分割による並列計算のためのクラスライブラリが含まれており、OpenFOAMを用いて開発されたソルバはそのまま並列で実行することが可能です。

OpenFOAMの開発

OpenFOAMの開発はLinuxで行われており、コンパイラや参照ライブラリ、可視化ツールなどもすべてGPLに準拠したソフトウェアを利用しています。標準的な実行環境はLinuxおよびMacOSXであるが、Windows上で稼働する仮想マシンにLinuxをインストールして実行するパッケージや、クロスコンパイラを用いてWindowsにOpenFOAMをポートしたパッケージなどがサードパーティーによって開発・配布されています。

OpenFOAMの利用動向と開発動向

オープンソース化された後、OpenFOAMは大学や研究機関を中心に急速にユーザを増加させました。大学院の教育課程に組み入れられたり、各種の開発プロジェクトに採用されています。リリース当初はCFD開発のツールとして利用されることが多かったが、近年では同梱されているソルバがそのまま実用計算に利用される事例も増加しつつあります。

特に、近年では並列計算のためのハードウェアが比較的安価に入手できるようになったのに対し、並列計算のための商用流体ソフトウェアのライセンス料はコア数に比例して増加することから、大規模並列計算や最適化のための多くの解析ケースが必要な計算にOpenFOAMを導入する試みが企業においても進みつつあります。また、FOCUSなど企業が利用可能なスーパーコンピュータへのインストールもされています。

OpenFOAM並列計算ベンチマーク結果

OpenFOAMによる、大規模流体解析モデルのスーパーコンピュータ(FOCUS)とPC(6core)での計算速度比較しました。

解析モデル定義

図1のように、3次元スロットに液体を流入口より流し込み、円柱後流のカルマン渦が発生する様子を解析した。

図1:スロットモデルの外観

図1:スロットモデルの外観

寸法(x,y,z) 30m x 16m x 1m
円柱直径 2m(高さ=1m)
使用ソルバ OpenFOAM 1.7.x
非圧縮性ソルバpisoFoam
Transport Properties Kinematic viscosity nu = 1e-04
Estimated Reynolds Number Re = 20,000
No Turbulence
Boundary Conditions Velocity
Inlet: (1, 0, 0) m/s
Walls: non-slip
Outlet: zero gradient
Pressure
zero gradient everywhere

解析結果

SIMPLE法による領域分割モデル(図2)

x axis - 2, 4, 8, 16, 32, 48 cores, y axis - 2 cores,
and z axis - 1 coreメッシュサイズ:11,205,000 (hex) cells. 分割法SCOTCHの場合の結果が若干良好。
計算時間 = 0.05secs

図2:SIMPLE法分割

図2:SIMPLE法分割

SIMPLE, SCOTCHの分割法(図3)

SIMPLE, SCOTCHいずれの分割法でも、Core数にリニアに比例する良好な結果が得られました。

条件にもよりますが、ほぼCore数が増えることで速度アップが得られる結果となり、Core数が多いスーパーコンピュータを使うことで相当の速度アップが期待できます。

図3:SIMPLE、SCOTCHいずれの分割法

図3:SIMPLE、SCOTCHいずれの分割法

FOCUS利用のためのOpenFOAM利用サポートサービス

CAEソリューションズでは、FOCUS上でユーザがOpenFOAMを円滑にご利用いただくためのサポートサービスを提供しています。FOCUSプラスOpenFOAMで実現できる流体/連続流体解析のための大規模並列計算環境をぜひお仕事にお役立てください。

  • OpenFOAMガイドブック
  • OpenFOAM操作基礎講座
  • OpenFOAMプログラミング基礎講座
  • OpenFOAMトライアル・サポート
  • OpenFOAM年間サポート契約Basic
  • OpenFOAM年間サポート契約Advanced
  • オンサイトセミナー
  • OpenFOAMを使用した受託計算
  • CFDモデル作成、コンサルテーション、運用マニュアル作成など

詳細は下記よりお問い合わせください。

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