КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 17-79-20445
НазваниеРазвитие эффективных численных методов расчета нестационарных аэрогидродинамических нагрузок для аэрогидробаллистического проектирования летательных аппаратов
Руководитель Марчевский Илья Константинович, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт системного программирования им. В.П. Иванникова Российской академии наук , г Москва
Конкурс №24 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-104 - Движение объектов и аппаратов в различных средах
Ключевые слова Вычислительная аэрогидродинамика, нестационарные аэрогидродинамические нагрузки, сопряженные задачи, гидроупругость, вихревые методы, методы погруженных границ, разрывный метод Галеркина, многопроцессорные ЭВМ, параллельные вычисления
Код ГРНТИ30.17.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В рамках обозначенного выше направления исследований на основе имеющегося у исполнителей научного задела и опыта создания программных комплексов планируется проведение исследований в области дальнейшего совершенствования и анализа эффективности современных методов вычислительной аэрогидродинамики, не реализованных в известных на сегодня российских и зарубежных программных комплексах, а также и их программная реализация в виде полнофункциональных прототипов программ, адаптированных для проведения расчетов на современных многопроцессорных ЭВМ кластерного типа.
Рассматриваемые методы представляются эффективными и актуальными для следующих направлений:
1) вихревые методы – задачи аэрогидродинамики и сопряженные задачи аэрогидроупругости в рамках допущения о несжимаемости среды, возникающие непосредственно в аэрокосмическом машиностроении (расчет нагрузок, действующих на летательные аппараты), расчете нагрузок, действующих на подводные конструкции, в том числе свободно перемещающиеся и буксируемые, а также в других отраслях: энергомашиностроении (расчет колебаний трубок теплообменников энергетических установок при их обтекании теплоносителем), механике конструкций, зданий и сооружений (расчет течений; решении сопряженных задач в промышленной аэродинамике, задач оценки экологической обстановки и т.п.);
2) методы погруженных границ – расчет на неподвижной структурированной сетке течений, включая высокорейнольдсовые, с привлечением известных RANS, LES и DES-моделей турбулентности, при наличии в них подвижных обтекаемых поверхностей, совершающих произвольные большие перемещения, в том числе деформируемых и вращающихся; помимо основного направления исследований (расчета нестационарных нагрузок при аэрогидробаллистическом проектировании летательных аппаратов) данные методы особенно эффективны, в частности, при расчете вращающихся вертушек, ветроэнергоустановок, многокомпонентных обтекаемых конструкций (пучков труб) при больших перемещениях отдельных компонент и т.п.;
3) разрывный метод Галеркина – моделирование сложных, в том числе содержащих разрывы и неустойчивости различного происхождения, течений сжимаемых и несжимаемых (слабосжимаемых) сред в рамках эйлерова подхода с обеспечением как высокого порядка аппроксимации решения в областях его гладкости, так и высокой степени разрешения разрывов для моделирования процессов высокоскоростного обтекания и, при необходимости, теплообмена элементов конструкций летательных аппаратов.
В рамках перечисленных численных методов исполнителями настоящей заявки разработаны и реализованы новые модификации соответствующих подходов, доказавшие высокую вычислительную эффективность при решении конкретных задач, а также проведены исследования по распараллеливанию вычислений и адаптации алгоритмов для проведения расчетов на многопроцессорных ЭВМ.
В рамках проекта на основе имеющегося задела планируется получение следующих новых научных результатов:
1) построение и реализация расчетных схем вихревых методов моделирования течений и расчета нестационарных аэрогидродинамических нагрузок, обеспечивающих повышенную точность при сохранении вычислительной трудоемкости (традиционно сравнительно низкой для вихревых методов) за счет развития предложенных и апробированных в течение последних 10 лет авторами настоящей заявки схем высокого порядка точности для решения граничных интегральных уравнений, возникающих при расчете обтекания поверхностей, их обобщение на случай произвольно движущихся и деформируемых обтекаемых поверхностей, в том числе в гидроупругой постановке, разработка и реализация расчетных схем моделирования обтекания и вычисления нагрузок, действующих на обтекаемые тела в присутствии свободной поверхности жидкости; дальнейшая оптимизация используемых приближенных быстрых методов расчета вихревого влияния, позволивших к настоящему времени снизить общую вычислительную сложность задачи с квадратичной (N^2) до логарифмической (N log N), где N – число вихревых элементов, в практических расчетах имеющее порядок десятков-сотен тысяч; исследование эффективности реализации вихревых методов на графических ускорителях.
2) В рамках метода погруженных границ планируется дальнейшее развитие метода LS-STAG – одной из наиболее эффективных из известных реализаций, разработанной в 2010 г. и предполагающей корректную аппроксимацию исходных уравнений (законов сохранения) на ячейках всех типов (как полностью «жидких», так и «усеченных»). В рамках работы над проектом будут проведены исследования по повышению эффективности решения разностных аналогов уравнений Гельмгольца и (главным образом) Пуассона за счет применения вариантов крыловского метода FGMRES, а также некоторых других, и многосеточного предобуславливания. Это позволит вести расчеты обтекания элементов конструкций летательных аппаратов, в том числе подвижных и деформируемых, совершающих произвольно большие перемещения, на прямоугольной структурированной сравнительно грубой сетке, обеспечивая высокую точность результатов. Также планируются исследования по повышению эффективности параллельной реализации метода – к настоящему времени известные модификации метода LS-STAG имеют приемлемые по эффективности реализации лишь для многопроцессорных ЭВМ с общей памятью (одна из таких реализаций разработана авторами настоящей заявки). В перспективе планируется обобщение метода на задачи расчета трехмерных течений. Помимо этого будет выполнена реализация наиболее известных моделей нелинейно вязких (неньютоновских) сред, актуальных также для задач нефтяной и газовой промышленности, литейного и доменного производства и многих других.
3) Применительно к численным методам на основе разрывного метода Галеркина будет разработан и реализован новый алгоритм расчета пространственных (трехмерных) сжимаемых течений в областях сложной формы с возможностью разрешения тонкой структуры течений на неструктурированных сетках, включающий эффективные процедуры выделения разрывов и монотонизации решения (на основе лимитеров семейства WENO и HWENO на компактном шаблоне), возможность проведения расчетов сред с уравнениями состояния, отличными от модели совершенного газа. Планируется реализация алгоритма аппроксимации вязких членов уравнений и применение разработанной методики для решения модельных задач расчета параметров высокоскоростного обтекания элементов конструкций летательных аппаратов. Для разрабатываемых алгоритмов также будут реализованы их параллельные версии с оценкой их масштабируемости и эффективности применения на многопроцессорных ЭВМ кластерной архитектуры.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ