Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка программного обеспечения для моделирования аэродинамических и аэроакустических характеристик винта вертолета на суперкомпьютерах

Докладчик: Козубская Татьяна Константиновна

Должность: зав. сект., с.н.с., д.ф.-м.н

Цель проекта:
Разработка методики численного моделирования аэродинамических и акустических характеристик винта вертолета и создание на ее основе прототипа проблемно-ориентированного программного комплекса, обеспечивающего снижение временных и финансовых затрат решения задачи разработки вертолета нового поколения.

Основные планируемые результаты проекта:
Результатами планируемой работы будут являться:
1) результаты патентных исследований по теме проекта;
2) методика расчета аэродинамических и аэроакустических характеристик винта вертолета при различных режимах полета;
3) прототип отечественного проблемно-ориентированного программного комплекса по расчету аэродинамических и аэроакустических характеристик винта вертолета.

Разработка методики расчета аэродинамических и аэроакустических характеристик винта вертолета включает в себя следующие составляющие ее результаты:
– разработку набора математических моделей для описания работы аэродинамики и аэроакустики винта вертолета при различных режимах полета (в частности, режим зависания; режим прямолинейного равномерного движения в направлении, параллельном плоскости вращения винта; режим прямолинейного равномерного движения в произвольном направлении относительно плоскости вращения винта);
– адаптацию метода Фокса-Уильямса-Хокинга для моделирования акустики дальнего поля к расчетам на многоблочной неструктурированной сетке;
– адаптацию экономичного численного метода повышенной точности для неструктурированных сеток, совместимого со всеми используемыми математическими моделями и работающего на многоблочной неструктурированной сетке;
– адаптацию методов обработки численных результатов для оценки аэродинамических и аэроакустических характеристик к расчетам на многоблочных неструктурированных сетках;
– разработку параллельного алгоритма для проведения эффективных расчетов на основе разработанных моделей и методов на суперЭВМ.

Создание прототипа проблемно-ориентированного комплекса программ является результатом ПНИ, подразумевает правовую охрану в виде регистрации программ для ЭВМ. Также под правовую охрану будут подпадать ключевые программные модули. Проведенные патентные исследования, сопутствующие правовой охране РИД, также будут являться результатами ПНИ.

Для достижения планируемых результатов необходимо решить следующие научно-технические задачи:
1. Разработать эффективные математические модели для описания аэродинамических и аэроакустических характеристик винта вертолета для различных режимов полета.
2. Адаптировать численные методы повышенной точности для неструктурированных сеток к разработанным математическим моделям.
3. Разработать параллельный алгоритм расчета течения вокруг винта вертолета на многоблочных неструктурированных сетках.
4. Осуществить программную реализацию разработанных моделей и численных методов для проведения эффективных расчетов с использованием суперкомпьютеров.
5. Провести верификацию созданной программной реализации на основе численного решения репрезентативных тестовых задач, а также проведения расчетов аэродинамических и аэроакустических характеристик винта реальной конфигурации для вертолетов, разрабатываемых Индустриальным партнером.
6. С целью подтверждения корректности разработанной технологии вычислительного эксперимента и программной реализации провести расчет выбранной вместе с Индустриальным партнером промышленно-ориентированной задачи.
7. Разработать прототип проблемно-ориентированного комплекса программ для расчета аэродинамических и аэроакустических характеристик винта вертолета.

Методику численного моделирования аэродинамических и аэроакустических характеристик винта вертолета (включающую в себя математические модели, адаптированные к ним численные методы и параллельный алгоритм расчета на суперЭВМ) предполагается строить на основе многоблочного подхода. Это означает обеспечение возможности расчета по различным математическим моделям и различным численным методам в разных блоках расчетной сетки. Такой подход к построению методики, с одной стороны, открывает широкие возможности для проведения гибкого, максимально эффективного расчета, а, с другой, существенным образом осложняет построение параллельного алгоритма расчета.
Введение многоблочного подхода необходимо для расчета рассматриваемых в проекте задач, связанных с расчетом аэродинамических и аэроакустических характеристик винта вертолета. При этом подразумевается, что выделенные блоки расчетной сетки будут двигаться (вращаться) друг относительно друга. Несмотря на то, что задачи данного проекта будут требовать наличия двух блоков сетки, методику предполагается строить таким образом, чтобы она допускала множественность блоков, в том числе наличие вложенных блоков. Это будет делаться для создания задела по моделированию аэродинамики и аэроакустики вертолета в максимально полной компоновке, включающей наличие нескольких винтов, а также реализации возможности различных типов движения винта и винтовых лопастей.
Принципиально новым моментом при разработке такой многоблочной методики будут являться используемые в проекте неструктурированные сетки. Их применение ведет к необходимости разработки новых вычислительных технологий, связанных с обеспечением корректного расчета на интерфейсах сеточных блоков.

Математические модели, используемые в проекте, будут строиться на основе полной системы уравнений Навье-Стокса для вязкого сжимаемого газа. Для моделирования турбулентного течения предполагается также использовать гибридные модели класса DES на основе подходов RANS (осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса) и LES (моделирование крупных вихрей). Для определенных классов задач, в частности, на режиме зависания вертолета, при равномерном движении машины в направлении плоскости вращения винта, предполагается рассмотрение постановок в неинерциальной системе координат, связанной с вращающейся лопастью вертолета. В этих случаях в математическую модель будут добавленные источниковые члены, моделирующие влияние сил инерции и, в частности, силы Кориолиса.
Математическая модель для расчета аэроакустических характеристик винта будет строиться на основе интегрального метода Фокса-Уильямса-Хокинга. Отдельное внимание при этом будет уделено корректному выбору контрольных поверхностей.
Для выбранных и разработанных математических моделей будут адаптированы численные методы для неструктурированных сеток на основе экономичного варианта EBR (Edge-Based Reconstruction) схем, основанных на квазиодномерной реберно-ориентированной реконструкцией переменных. Предполагается реализовать возможность использования схем с различными параметрами, определяющими точность, в различных блоках сетки.
В существующих в мире работах по расчету аэродинамики вертолетного винта, как правило, используются, многоблочные структурированные сетки. В данном проекте предполагается использовать многоблочные неструктурированные сетки. Предполагается рассмотрение как скользящих сеток, так и сеток с перекрытием с последующим выбором наиболее эффективной сеточной технологии. Выбор в пользу неструктурированных сеток сделан с целью обеспечения возможности использования единой сетки внутри одного блока, покрывающей области с телами произвольной геометрической конфигурации.
Разработанные математические модели, численные методы и параллельный алгоритм станут основой разрабатываемой в проекте методики моделирования аэродинамических и аэроакустических характеристик винта на многоблочных неструктурированных сетках с использованием суперкомпьютеров.
Разработанная методика будет верифицирована посредством численного решения серии модельных задач, а также валидирована путем решения задач, разработанных и предложенных Индустриальным партнером специально применительно к настоящему проекту.
Параллельный алгоритм будет построен на основе гибридной MPI-OpenMP модели распараллеливания для многоядерных вычислительных систем. Будет обеспечена возможность эффективного расчета на сетках размерностью вплоть до миллиарда элементов при одновременном задействовании до 20 тысяч процессорных ядер.
Программная реализация разработанной методики будет проведена на языке C++ с использованием объектно-ориентированной методологии. Программная реализация будет строиться на основе существующего отечественного программного комплекса, разработанного участниками проекта в ходе
Выполненная программная реализация будет являться прототипом отечественного проблемно-ориентированного комплекса программ, предназначенного для расчета аэродинамических и аэроакустических характеристик винта вертолета при различных режимах полета.
Ключевые части методики, реализующие разрабатываемые в проекте новые вычислительные технологии, будут реализованы в виде отдельных программных модулей, рассматриваемых в проекте как результаты интеллектуальной деятельности, способные к правовой охране. Также результатом интеллектуальной деятельности, создаваемой в проекте и подлежащей правовой охране, будет прототип проблемно-ориентированного комплекса программ.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемый в проекте проблемно-ориентированный комплекс программ позволит широко применять метод математического моделирования при разработке новых перспективных вертолетов. Вычислительные эксперименты с использованием на основе данного комплекса программ будут обеспечивать существенное ускорение работ по проектированию винта вертолета и оптимизации его геометрической конфигурации (поперечные профили, законцовки, размеры).
В результате внедрения метода вычислительного эксперимента в проектирование винта вертолета и, в частности, выбора оптимальной конфигурации лопасти может быть значительно сокращен объём средств и фондов времени, выделяемых на натурные эксперименты.
При этом, проблемно-ориентированный комплекс программ может применяться как с чисто исследовательскими целями, например, для прогнозирования конструкции будущих высокоскоростных вертолетов, так и при разработке вертолетов сегодняшнего дня и уточнения геометрических особенностей существующих лопастей.

Текущие результаты проекта:
1. Выполненный обзор и анализ современной научно-технической, методической литературы по применяемым методам расчета аэродинамических и акустических характеристик винта вертолета подтвердил острую потребность развития и использования в прикладных задачах методов математического моделирования. Численное моделирование особенно актуально при решении задач, сопутствующих созданию новых перспективных вертолетов, где, из-за повышенных скоростей полета, методы аналитического предсказания аэродинамических и акустических характеристик винта дают недопустимо большие ошибки и в ряде случаев оказываются непригодными. В то же время методы аналитической оценки остаются исключительно важными с точки зрения верификации и подтверждения корректности результатов численных расчетов.
2. Выполненный обзор и анализ современной научно-технической, методической литературы по применяемым численным методам расчета аэродинамических и акустических характеристик винта вертолета показал необходимость комплексного подхода к построению методики численного расчета данного класса задач, состоящего в объединении преимуществ неструктурированных сеток (для использования реальных конфигураций) и высокоточных схем при жестком ограничении на вычислительную стоимость.
3. Проведенные патентные исследования не выявили наличия охранных и иных документов, которые могут препятствовать применению результатов настоящих ПНИ в Российской Федерации. Это позволяет сделать вывод о патентной чистоте результатов, которые будут получены по итогам настоящих ПНИ.
4. Из проведенных патентных исследований следует, что целях правовой охраны разрабатываемого прототипа проблемно-ориентированного программного комплекса целесообразна его регистрация.
5. Построенная геометрическая модель винта вертолета дает возможность пользователю изменять широкий набор геометрических параметров задачи, а именно: размеры лопасти и центрального тела, профиль лопасти, ее крутку, форму ее законцовки, угол ее установки, а также количество лопастей.
6. Построенная сеточная модель винта вертолета использует тетраэдральные неструктурированные сетки
7. Построенная сеточная модель обеспечивает расчет аэродинамических и акустических характеристик винта вертолета на сетках размерностью порядка 100 млн элементов
8. Разработанная трехмерная модель винта вертолета содержит описание всех ее конструктивных элементов, их назначение, при этом представление модели выполнено в виде CAD-геометрии.
9. Согласно проведенной оценке ресурсоемкости, для расчета характеристик 4-х лопастного несущего винта вертолета необходимо не менее 4Гб на хранение сеточных данных одной сеточной модели. Для случая 11-ти лопастного рулевого винта в кольце для хранения сеточных данных необходимо не менее 5.6Гб.
10. Оптимальная конфигурация распределения ресурсов суперкомпьютера для распределенной обработки сеточной модели винта вертолета определена отдельно для каждой из используемых операций обработки сеточных данных.