下浮点精度对湍流尺度解析数值模拟的影响
流体动力学
2025-12-17 v2
摘要
现代计算集群提供了用于 reduced-precision 算术的专用硬件，可显著加快求解时间。这得益于数据传输减少以及算术运算速度提升的能力。然而，对于湍流的高保真模拟，如直接数值积累和大涡模拟，reduced precision 对计算解及其结果不确定性的影响尚未详细探讨，这限制了对新高性能计算系统的最佳利用。本文使用四个不同的数值流体动力学 (CFD) 求解器（两个不可压缩的 Neko 和 Simson，两个可压缩的 PadeLibs 和 SSDC）进行 reduced precision 的研究，测试案例包括：Retau=550 的湍流通道流、强制迁移在通道中、ReD=3900 的圆柱体上的流动，以及 Rec=50000 的可压缩翼型流。我们观察到，随着 lower floating-point precision 的降低，流动物理学具有惊人的鲁棒性，其他形式的不确定性（例如时间平均）通常对计算结果的影响更大。我们的结果表明，Navier-Stokes 方程的不同项可在不影响结果的前提下以 lower floating-point 精度计算。特别是，标准 IEEE single precision 可有效用于整个模拟，在所考虑的求解器和案例中与 double-precision 结果之间不存在显著差异。也讨论了潜在的陷阱。
引用
@article{arxiv.2506.05150,
title = {Effects of lower floating-point precision on scale-resolving numerical simulations of turbulence},
author = {Martin Karp and Ronith Stanly and Timofey Mukha and Luca Galimberti and Siavash Toosi and Hang Song and Lissandro Dalcin and Saleh Rezaeiravesh and Niclas Jansson and Stefano Markidis and Matteo Parsani and Sanjeeb Bose and Sanjiva Lele and Philipp Schlatter},
journal= {arXiv preprint arXiv:2506.05150},
year = {2025}
}