Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.604.21.0092

Руководитель: Четверушкин Борис Николаевич

Должность: Директор

Организация: Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной математики им. М.В.Келдыша Российской академии наук"
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной математики им. М.В.Келдыша Российской академии наук

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
программное обеспечение для суперкомпьютеров, винт вертолета, аэродинамические силы, акустика дальнего поля, математическое моделирование, вычислительная аэроакустика, вычислительная газовая динамика, параллельные алгоритмы, гибридная mpi-openmp модель распараллеливания

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:
Обзор и анализ современной научно-технической, методической литературы по моделированию аэродинамических и акустических характеристик винта вертолета
Описание трехмерной, геометрической и сеточной модели винта вертолета для исследований его аэродинамических и аэроакустических характеристик.
Описание математической модели аэродинамического обтекания винта вертолета, позволяющей получить аэродинамические и акустические характеристики винта вертолета при различных режимах полета и результатов ее теоретического исследования.
Описание численных методов для проведения расчетов аэродинамических и акустических характеристик винта вертолета при различных режимах полета на неструктурированных сетках с использованием разработанной модели аэродинамического обтекания винта вертолета.
Описание эффективного параллельного алгоритма реализации математической модели и численных методов для расчета аэродинамических и акустических характеристик винта вертолета при различных режимах полета.
Результаты валидационных расчетов выбранной промышленно-ориентированной задачи по расчету аэродинамических и акустических характеристик винта с использованием созданного прототипа проблемно-ориентированного программного комплекса NOISEtte.Rotor.
Результаты экспериментальных исследований прототипа проблемно-ориентированного программного комплекса NOISEtte.Rotor в соответствии с разработанной Программой и методикой.
Рекомендации и предложения по использованию результатов ПНИ в производственном процессе c учетом технологических возможностей и особенностей Индустриального партнера.
Прототип проблемно-ориентированного программного комплекса NOISEtte.Rotor, реализующего разработанную численную методику, позволяющую получить аэродинамические и акустические характеристики винта вертолета при различных режимах полета.
Программная документация на прототип проблемно-ориентированного программного комплекса NOISEtte.Rotor, реализующего разработанную численную методику, позволяющую получить аэродинамические и акустические характеристики винта вертолета при различных режимах полета.
Программа и методика экспериментальных исследований.
Проект ТЗ на выполнение ОКР по теме:
«Разработка программного обеспечения супер ЭВМ для расчета аэродинамических и акустических характеристик винта вертолета при различных режимах полета».

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Разрабатываемая в ходе выполнения ПНИ методика, а именно, разработанные математическая модель, численные методы и параллельный алгоритм, должна предназначаться для численного предсказания аэродинамических и акустических характеристик винта вертолета при различных режимах полета.
Созданный в ходе выполнения ПНИ прототип проблемно-ориентированного программного комплекса NOISEtte.Rotor, реализованный на основе разработанной методики, должен предназначаться для предсказания аэродинамических и акустических характеристик винта вертолета при различных режимах полета с возможностью использования вычислительных ресурсов суперкомпьютера с существенно многоядерными узлами с суммарной пиковой производительностью не менее 10 TFLOPS и числом процессорных ядер не менее тысячи.
Разрабатываемая в ходе выполнения ПНИ методика для численного предсказания аэродинамических и акустических характеристик винта вертолета при различных режимах полета должна включать:
- математическую модель аэродинамического обтекания винта вертолета, обеспечивающую возможность использования различных формулировок (постановок в инерциальной и неинерциальной системе координат, с учетом и без учета вязкости) для различных подобластей задачи.
- численные методы повышенной точности для неструктурированных сеток, адаптированные для проведения расчетов на основе разработанной математической модели;
- параллельный алгоритм, реализующий расчеты на суперкомпьютерах по разработанной математической модели и численным методам, и позволяющий задействовать для решение одной задачи ресурсы суммарной пиковой производительностью не менее 10 TFLOPS или не менее 1000 процессорных ядер, с параллельной эффективностью удвоения числа процессоров не менее 80%
Разрабатываемая методика для численного предсказания аэродинамических и акустических характеристик винта вертолета должна обеспечивать возможность проведения расчетов на неструктурированных тетраэдральных сетках.
Разрабатываемая методика для численного предсказания аэродинамических и акустических характеристик винта вертолета должна быть построена с учетом необходимости обеспечения функционирования программных решений, построенных с их применением, с показателями параллельной эффективности не ниже 80% на сетках с числом элементов до 1 миллиарда включительно.
Разрабатываемая методика для численного предсказания аэродинамических и акустических характеристик винта вертолета должна быть построена с учетом необходимости обеспечения функционирования программных решений, построенных с их применением, с показателями параллельной эффективности не ниже 80% на системах с общей памятью, распределенной памятью, а также на гибридных системах.
Разрабатываемая методика для численного предсказания аэродинамических и акустических характеристик винта вертолета должна быть построена с учетом необходимости обеспечения функционирования программных решений, построенных с их применением, с показателями параллельной эффективности не ниже 80% при одновременном задействовании не менее тысячи процессорных ядер.
Используемые в методике для численного предсказания аэродинамических и акустических характеристик винта вертолета численные методы должны обладать повышенной точностью – не менее второго порядка на произвольной неструктурированной сетке и высокой точностью, вплоть до пятого порядка, на сетках специального вида (трансляционно-симметрические сетки).
Рассматриваемые в ходе ПНИ промышленно-ориентированные задачи для предсказания аэродинамических и акустических характеристик винта вертолета должны решаться на неструктурированных сетках размерностью вплоть до 100 миллионов элементов.
Прототип проблемно-ориентированного программного комплекса NOISEtte.Rotor должен быть построен на основе библиотеки численных методов и пространственной дискретизации программного комплекса NOISEtte++ для расчетов задач аэродинамики и аэроакустики.
Прототип проблемно-ориентированного программного комплекса NOISEtte.Rotor должен иметь модульную структуру, включающую следующие основные модули: модуль для расчета течения сжимаемого газа во вращающейся неинерциальной системе координат; модуль консервативной интерполяции сеточных функций на расчетной области из множественных перекрывающихся или скользящих сеток; модуль для передачи данных и параллельных вычислений на перекрывающихся или скользящих сетках; модуль для обработки результатов расчета на множественных сетках.

Все используемые технологические решения находятся соответствуют высокому мировому уровню

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:
Создание прототипа проблемно-ориентированного программного комплекса NOISEtte.Rotor, реализующего разработанную численную методику, позволяющую получить аэродинамические и акустические характеристики винта вертолета при различных режимах полета с использованием суперкомпьютера.
Выбор, обоснование и описание промышленно-ориентированной задачи по расчету акустическических характеристик винта для валидации прототипа проблемно-ориентированного программного комплекса NOISEtte.Rotor, реализующего разработанную численную методику.
Анализ корректности передачи данных для различных конфигураций используемых ресурсов суперкомпьютера