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2023 年 3 月 17 日• 14 分钟阅读
大家好，我是 Julio Mendez，一名 CFD 科学家，目前在Corrdesa工作 ，使用 CFD 研究电化学应用。
我的 CFD 之旅始于 2007 年，当时我在家乡委内瑞拉的La Universidad del Zulia寻找本科论文的主题。我敲了一扇门，在一年内改变了我的一生。我不知道如何编写“Hello world”，最终在 FORTRAN 77 中扩展了一个具有湍流功能的内部 CFD 求解器。从我今天的经验来看，我意识到这没什么大不了的，但是对于对数值计算一无所知的人来说，这是一笔不小的数目。本科毕业论文答辩后，我被邀请攻读计算热科学硕士学位。那是最好的学术经历，后来打开了不同的机会。
约翰：本科毕业论文典型吗？虽然我读本科的时候还不是这样，但我和一位教授进行独立研究时玩得很开心，他让我和一个朋友让激波管起死回生。
Julio：是的，这是强制性的。你还必须做一个高级项目，在这个项目中，我的团队有幸设计了一个蒸汽发电厂。我负责冷凝器设计和管道系统。由于那次接触，我在一家名为 Inelmeca 的工程咨询公司获得了我的第一份工作经验，在那里我度过了我职业生涯中最美好的五年。您必须明智地选择可以对您的生活产生积极影响的项目。我偶然发现 CFD 只是为了完成我的论文，但我的所有背景都是关于热流体的，而不是应用数学和数值计算。
2013年，我申请了奖学金攻读博士学位，幸运的是，我得到了回复！教授对我的本科论文感兴趣，连硕士论文都不感兴趣！（现在你知道为什么那扇门改变了我的生活！）。我开始攻读博士学位。2014 年在北卡罗来纳州 A&T 州立大学, 再次使用抛物线纳维-斯托克斯方程在海洋和风力涡轮机中应用湍流建模。尽管如此，我的导师意识到我们需要在研究中多加努力才能取得实质性进展。这个决定也改变了我的博士课程。我开始在计算机科学系上课，这就是我接触高性能计算 (HPC) 美丽世界的方式。我很幸运拥有该地区最好的教授之一，Kenneth Flurchick 博士 (RIP)，他后来成为我的 HPC 导师，他是我的博士生的一部分。委员会。那次经历教会了我从硬件到软件开发以及应用程序到 HPC 系统的数值计算的由内而外。在我攻读博士学位期间 研究，我们还探索了一些关于时空大涡模拟的想法。很遗憾，由于资金被削减，这些研究都没有触及现实世界。这些削减迫使我转移到另一个研究领域，那个让我成为门德斯博士的研究领域。我最后的博士学位 我的论文是关于超音速/超音速流动的，在那里我共同开发了一种用于超音速/超音速流动的新算法。图 1 显示了自由流马赫数为 6 的音速射流交叉流相互作用的数值解，交叉喷射的马赫数固定为 1 马赫。
图 1. 带有 V-Velocity 等高线的流线。（Sonic Jet 横流相互作用）
除了在新框架的开发方面工作外，我还负责将源代码移植到 HPC，这是一项我喜欢的工作，并且从编程中学到了很多东西。在这里，我使用了多个系统和编程模型：CUDA、OpenMP、OpenACC、MPI 以及它们的组合。我认为所有的经历塑造了我现在的工程师/科学家类型。我的兴趣从计算机科学到数值分析不等。这些年来，我一直致力于线性求解器、显式技术、数值方法和高保真数值计算。我最近开发了用于实验设计 (DoE) 和代理建模的工具，以加速工程设计。
大家可以想象，我一直很难停止做基础研究。这是我作为 CFD 科学家最喜欢的部分。我继续与学术界合作，与我以前的博士学位一起工作。研究组和其他组或独立。我目前住在佐治亚州纽南，在 Corrdesa LLC 担任 CFD 工程师。我们是一家小公司，但我们有一个小型 HPC 系统（240 个 CPU）和良好的工作站。例如，我的工作站是 Dell Precision 5820，如果我需要用一个词来描述我的工作，那就是“挑剔”。我需要在这方面努力，因为我总是力求完美，但有时有必要划清界限并向前迈进。
您认为未来 5 年 CFD 面临的最大挑战是什么？
我不得不引用我们在数值方法或从高保真数值方法到工业应用的过渡中看到的缓慢进展。我知道这些开发中的大部分仍处于早期阶段，但大多数大型 CFD 公司正在缓慢地采用这些新方法。另一方面，其他新公司已决定基于这些更新的算法来构建他们的新产品，我觉得这非常好。
另一个挑战是数据。我们创建了大量数据；有时，很难管理它。这在研究中甚至更加复杂，例如 DNS 研究和类似的事情。
最后，事物发展如此之快以至于要跟上甚至维持以前的发展是非常具有挑战性的。例如，我们都知道 CUDA 是一种非常著名的供应商依赖语言，许多新的 HPC 系统将不支持利用 CUDA 的求解器。我们在 HPC 领域看到了类似的事情，在开源库中看到了更多。
你目前在做什么？
我目前在两个不同的领域工作。首先，在学术界，我正在与 Tapan K. Sengupta 教授的团队合作，使用 theta（阿贡的超级计算机）进行高保真数值计算。这次合作是我一直想做的事情。你知道，当你钦佩、尊重和关注他的工作的教授允许你加入他的团队进行国际合作时，这就像梦想成真。
另一方面，我正在 Corrdesa LLC 从事多个联邦/商业项目。这些项目与电化学应用工具的设计有关，我也在致力于创建腐蚀工具集，以简化 CFD 模拟过程。有时，在最终用户不是 CFD 工程师而是可持续发展领域的某个领域需要这些工具。目标是将 CFD 背后的所有复杂性预先打包在一个 GUI 中，用户无需成为 CFD 专家即可测试多个场景。
由于我的工作性质，我不能分享我在商业上所做的任何事情，但这是我们为 AIAA 航空论坛提交的关于与 Sengupta 教授合作的草稿的图片。这不是我们习惯在 CFD 中看到的漂亮图片，但它具有重要的价值。我们正在使用阿贡的超级计算机（多亏了 DD 分配程序）。该图显示了平均墙时间与（网格点/处理器）的关系。在 theta（ALCF 超级计算机）上获得的初步结果表明在本研究中使用的分辨率下线性加速。请注意，我们在 266 K CPU 上使用了 327.7 亿个点。我为这项工作感到非常自豪，我们正在解决瑞利-泰勒不稳定性的直接数值模拟，
图 2. 执行 Runge-Kutta 时间积分每个时间步长所用的平均壁时间
约翰：你在一个拥有超过 320 亿个点的网格上对 266,000 个 CPU 进行线性缩放？有什么具体的你可以引用使这成为可能吗？
胡里奥：首先，必须承认 Sengupta 教授的贡献和工作。他的团队开发了这段代码，而我只是在参与这项最近的研究，但这项伟大的工作是由他的团队完成的。几个月前，我与 Sengupta 教授进行了同样的对话，回顾一下，一切都归结为缓存命中和重叠计算和通信。幸运的是，大多数编译器在优化代码方面做得很好，但作为开发人员，您必须精通如何编写求解器，对于 HPC 应用程序，您需要精通如何将通信与计算重叠。这是为科学应用开发代码时最重要的方面之一。同样，我不是开发代码的小组的成员，但开发团队做得非常出色。这通过线性可扩展性得到证明。随着核心数量的增加（同时保持网格固定），您正在使核心级别的子域变小。因此，在某些情况下，大部分计算都适合缓存，而您的求解器会利用缓存命中。
总之，我通过以下方式看到这一点。几个核心的通信时间相当长。此外，您在核心级别有一个更大的问题，需要在主内存上获取数据。随着核心数量的增加，每个处理器（较小的域）分配的内存总量就会减少；因此我们的缓存命中率高于缓存未命中率。除此之外，我们增加了 PE（核心）的数量，因此我们向更多的邻居发送更多的数据包，这些数据包更小，因此我们减少了消息量（延迟）。这是我的观点，也许是错误的，所以请三思而后行。
你最引以为豪的项目是什么？为什么？
有多个项目我确实感到自豪，但我认为有两个我非常自豪能在上面盖上我的姓氏。其中之一是我去年在 AIAA SciTech 上发表的一篇论文。这篇论文的独特之处在于，我是在获得博士学位后做的，而且不知何故，我一个人完成了所有事情。这是我推动我的想法、更多 CFD 开发、撰写提案以获得 HPC 资源等的机会。当你看到你努力工作可以完成的所有事情时，感觉非常好。
这篇论文的目的是进一步验证我在博士期间使用的 IDS（积分微分方案）。这一次，我想对方案进行更深入的分析，我们给出了几个计算来证明新方案的流动物理捕获能力。我们研究了分层 Kelvin-Helmholtz 不稳定剪切层、Taylor-Green 涡旋和 Riemann 问题的二维解。这是我们首次尝试对无粘性和粘性流进行全面研究。您可以看到图 1 和下图之间的分辨率差异。我在匹兹堡超级计算中心 (PSC) 使用了 NSF 支持的 Bridges 系统，奖励编号 ACI-1445606。我通过 XSEDE 获得了这些资源。
图 3. 分层 Kelvin-Helmholtz 问题的密度场。
从专业角度来说，有一个项目我很高兴参与其中。我是负责为 ECM（电化学应用）创建数值计算工作流程的开发人员。项目开始时，没有任何 CFD 商业软件包可以开箱即用地处理大网格变形，因此之前的所有尝试都因此失败。当网格拉伸过多时，您必须停止计算并在对计算域进行多次修改后手动重新网格化所有内容——想象一下，仅对一次工具设计迭代执行此操作 50 到 100 次。因此，我建议创建一个脚本，在每个时间步测量多个网格指标，并根据某些标准和预测，在我们遇到负体积或网格质量下降到求解器刚刚发散的点之前重新划分整个域的网格。为此，我决定使用 Simcenter StarCCM+ 和 Fidelity Pointwise。这两个包使我能够为 ECM 应用程序创建我的工作流程。结果非常出色！我希望尽快发布一些东西。
您是否正在阅读我们应该了解的任何有趣的技术论文？
是的，我尝试经常阅读论文。我发现了有趣的想法，更重要的是，它让您了解最新的方法。我正在阅读多篇具有多个目标的论文。例如，我最近阅读了 L. Davidson 的笔记“ Using Machine Learning for formulating new wall functions for Large Eddy Simulation: A second attempt ”。我想知道 Davidson 教授对 LES ML 的看法。我关注了他的工作，并且在我攻读博士学位时，他的贡献非常有用。
我最近阅读了“ On the role of spectral properties of viscous flux discretization for flow simulation on marginally resolved grids ”这篇论文来自 Seven Frankel 的小组。如果你从事 LES，你必须知道他的工作。
我最近还阅读了Tapan 教授小组的“用于 DNS 紧凑方案的高精度保持并行算法”和“用于湍流数值模拟的伪谱方法分析”。我对 CO2 捕获非常感兴趣，并且我已经阅读了 CFD 小组的一些尝试，他们尝试通过源项来模拟 CO2 吸收，而不是模拟反应本身。一篇不错的论文是 D. Asendrych 的“ CO2 吸收的数值模拟”。
除此之外，我经常重温 Denaro 教授关于他在 LES 工作的论文；出色的工作！Filippo Maria Denaro 教授的一篇关于 LES 和数值计算的论文让我大开眼界：“ What does Finite Volume-based implicit filtering really resolve in Large-Eddy Simulations? ”。
您每天使用什么软件或工具？
Simcenter StarCCM+ 和 Fidelity Pointwise。在后期处理方面，我使用 Paraview 和 Tecplot。我的首选程序是用 Python 进行数据后处理和做更多事情，而对于 CFD 开发，我使用 Fortran。
你的工作空间是什么样的？
我在家工作，每周也去办公室几次，参加会议并与团队保持联系。由于一些限制，我无法发布办公室的照片，但我正在分享一张我在家办公室“蝙蝠洞”的照片，这是大多数事情发生的地方。
您在 CFD 世界之外做什么？
我喜欢飞机，并且在我的遗愿清单上参加了飞行课程，所以我阅读了很多关于飞行背后的科学知识，并且我在 YouTube 上观看 VLOG。我读到了通用航空的飞机。我喜欢和我的妻子和女儿一起看电影，也喜欢去佛罗里达和北卡罗来纳州探望家人。
您收到的最好的 CFD 建议是什么？
“不是因为它会发光，而是因为它是金子”。当我们是这个领域的新手时，我们将模拟中的颜色视为神奇的东西，并且我们倾向于认为它们是理所当然的。因此，当我开始使用 CFD 时，我的导师建议对结果非常挑剔，质疑我的结果胜过其他任何事情。试图总是关闭我的学习，永远不要安于任何我不自豪地在上面盖上姓氏的东西。CFD 是一个很棒的领域，但很容易陷入成为按钮推动者的陷阱。你总是需要质疑自己的结果。你必须继续你的学习过程，因为我们使用计算机来解决复杂的问题，但在后端，有很多事情在发生。
此外，我在委内瑞拉的导师不允许我坐在电脑前不仔细阅读帕坦卡的书的每一页。他过去每周五都给我测验，但这对我后来开始编写 CFD 求解器编程有很大帮助，在 CFD 工作四年后，我开始使用商业软件包。那是你必须在 Gambit 上做网格的时候。幸运的是，我们今天有 Fidelity Pointwise！
如果我必须总结所有好的建议，请从下往上开始，不要走捷径！
如果你必须选择一个地方吃晚饭，你会去哪里？
毫无疑问，我想回到我祖国的一家餐厅，在那里我与父亲和母亲留下了美好的回忆。该餐厅位于委内瑞拉苏利亚的 Los Puertos de Altagracia。餐厅就在湖边，食物超级新鲜可口。我喜欢 los risos，这是一种加黄油和奶酪的鱼条。还有另一家很棒的餐厅叫 Chuita，供应最新鲜的鱼。他们不给客人餐具，因为那是我们在湖前那个地区吃鱼的方式。美好的回忆，当然。
约翰：我试着想象在没有餐具的情况下吃鱼——但失败了。你在美国找到正宗的委内瑞拉美食了吗？
Julio：不是真的，虽然你可以在佛罗里达找到美味的委内瑞拉食物。例如，肉馅卷饼、pastelitos y tequenos。它们非常受欢迎，在佛罗里达州很容易买到。
约翰：感谢您抽出宝贵时间接受我们的采访。
Julio：John，谢谢您允许这位委内瑞拉人在您的博客中介绍自己。CFD 社区承认并感谢您对该领域的贡献。很高兴能分享我在 CFD 和 HPC 方面的旅程，当我搬到这个美丽的国家，我有机会与如此有才华的人一起学习和工作时，我的旅程飞速发展！快乐的计算和“Muchas gracias！”
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