Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка программного обеспечения суперЭВМ для подбора оптимальной конфигурации дефлектора с целью снижения акустических нагрузок на конструктивные элементы высокоскоростных транспортных средств

Докладчик: Жданова Наталья Сергеевна

Должность: н.с., к.ф.-м.н.

Цель проекта:
Разработка методики численного моделирования аэродинамического обтекания дефлектора и создание на ее основе прототипа проблемно-ориентированного программного комплекса, обеспечивающего снижение временных и финансовых затрат решения выбора оптимальной конфигурации дефлекторов, используемых для снижения акустических нагрузок на конструктивные элементы высокоскоростных транспортных средств.

Основные планируемые результаты проекта:
Результатами планируемой работы будут являться:
1) методика численного моделирования течений вязкого сжимаемого газа вокруг препятствий на основе метода погруженных границ для оперативного проведения серийных расчетов по выбору оптимальной конфигурации на неструктурированных сетках;
2) прототип проблемно-ориентированного программного комплекса для подбора оптимальной конфигурации дефлектора с целью снижения акустических нагрузок на конструктивные элементы высокоскоростных транспортных средств.

Разрабатываемая методика численного моделирования течений вязкого сжимаемого газа вокруг препятствий будет включать:
– разработанную на основе варианта метода погруженных границ математическую модель для описания внешних течений вязкого сжимаемого газа вокруг препятствий (дефлектора), не предусматривающую разрешение границы препятствия сеткой,
– экономичный численный метод повышенной точности для неструктурированных сеток, адаптированный к поддержке численных решений с высокими градиентами вплоть до разрывов;
– параллельные алгоритмы для проведения эффективных расчетов на основе разработанных моделей и методов на суперЭВМ.

Создаваемый проблемно-ориентированный комплекс программ будет позволять оперативно менять как режимы набегающего потока, характеризуемые, в частности, числами Маха и Рейнольдса, толщиной и формой пограничного слоя и др., так и геометрические параметры дефлектора, среди которых геометрические размеры, формы кромок, коэффициенты перфорации, а также положение дефлектора относительно обтекаемой несущей конструкции.

Научная новизна решаемой задачи, в первую очередь, обусловлена использованием принципиально нового подхода к моделированию течений вокруг объектов сложной конфигурации. Этот подход основан на методе погруженных границ и не требует отслеживания границ твердого тела граничными узлами сетки. Кроме этого, разрабатываемая методика будет строиться на основе передовых технологий вычислительной газовой динамики. Так, будут использоваться экономные численные методы повышенной точности для неструктурированных сеток, новый оригинальный метод, поддерживающий решения с большими градиентами вплоть до разрывов для моделирования трансзвуковых и сверхзвуковых течений, алгоритмы локальной динамической адаптации сетки к решению, а также современный эффективные параллельные алгоритмы. Ни одна из известных методик численного моделирования с использованием метода погруженных границ не сочетает в себе вычислительные технологии подобного высокого уровня.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемый прототип проблемно-ориентированного комплекса позволит проводить широкий спектр инженерных исследований для проектирования: аэрокосмической техники, автомобильной техники, железнодорожной техники, а также судовой техники, мостов, высотные зданий и сооружений с защитой от ветровых нагрузок с применением дефлекторов.
Созданный в рамках предлагаемой ПНИ разрабатываемый прототип проблемно-ориентированного комплекса программ может быть успешно использоваться при решении следующих промышленных задач:
– разработка оптимальной конструкции дефлектора для защиты от повышенной акустической нагрузки конструкций открытых отсеков и ниш самолётов, ракет, автомобилей, скоростного поездного состава, судов;
– разработка оптимальных защитных конструкций в виде дефлекторов для мостов и высотных зданий от нестационарной ветровой нагрузки.

Результаты ПНИ могут быть востребованы в отраслевых НИИ, конструкторских бюро, научно-технических объединениях и подразделениях предприятий авиационной промышленности, занимающихся исследованием аэродинамических течений вокруг препятствий при конструировании современных высокоскоростных летательных аппаратов.

Текущие результаты проекта:
В итоге выполнения ПНИ на первом этапе были достигнуты следующие результаты.
1. Обзор и анализ современной научно-технической методической литературы позволил определить актуальный уровень мировых исследований, направленных на решение научно-технических проблем, исследуемых в рамках ПНИ. Установлено, что для численного моделирования задач аэродинамического обтекания препятствий, где необходимо многократно изменять их геометрическую форму, эффективно использовать подходы, основанные на методе погруженных границ. Изучены различные варианты методов погруженных границ и определены оптимальные для применения в решении задач, исследуемого класса.
2. 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.
3. Разработанная математическая модель аэродинамического обтекания основана на применении метода погруженных границ. Он используется для имитации влияния обтекаемого тела на вязкое сжимаемое течение. Построенная модель не предполагает использования согласованных с границей расчетных сеток, что позволит проводить серийные расчеты по выбору оптимальной конфигурации дефлектора с целью снижения акустических нагрузок на конструктивные элементы высокоскоростных транспортных средств
4. Адаптация численных методов проведена с учетом особенностей построенной математической модели аэродинамического обтекания, в том числе, учитывались особенности, связанные с типом граничного условия, задаваемого на границе твердого тела. Адаптированные численные методы ориентированы на использование неструктурированных расчетных сеток и обеспечивают проведение расчетов с порядком точности не ниже второго на произвольных неструктурированных сетка и могут давать пятый порядок для трансляционно симметрических сеток
5. Разработанный эффективный параллельный алгоритм основан на двухуровневом распараллеливании с использованием технологии MPI&OpenMP. В результате комплексной оценки его эффективности, включающей оценку параллельной эффективности отдельно для распараллеливания с общей памятью, отдельно для распараллеливания с распределенной памятью, и для гибридного режима с общей и распределенной памятью, получены показатели, полностью согласованные с требованиями Технического задания.
6. Верификации численной методики, проведенная посредством решения выбранных модельных задач, показала, что она может быть эффективно использована для решения задач аэродинамического обтекания препятствий вязкой сжимаемой жидкостью.