Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка вычислительной методологии расчета Турбулентных течений на основе метода «крупных вихрей (LES)», реализованной при помощи численной схемы высокого порядка точности Галеркина с разрывными функциями, и ее тестирование на Индустриальном суперкомпьютере применительно к решению задач воздействия вихревого следа Летательного Дозвукового Аппарата на экологию

Номер контракта: 14.628.21.0005

Руководитель: Волков Андрей Викторович

Должность: Начальник Отделения аэродинамики самолетов и ракет ФГУП «ЦАГИ»

Организация: федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е.Жуковского"
Организация докладчика: Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е.Жуковского"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
метод высокого порядка, метод конечных элементов, закон стенки, турбулентность, спектр, суперкомпьютер, программа, масштабируемость, сопло, вихрь, вихревой след.

Цель проекта:
Цель выполнения исследования заключается в разработке принципиально новой суперкомпьютерной методологии, использующей преимущества методов высокого порядка точности для многократного увеличения скорости расчета и решения на ее основе задач моделирования крупномасштабной турбулентности (LES) в интересах авиационной промышленности

Основные планируемые результаты проекта:
1. В процессе выполнения проекта планируется разработать:
1.1 аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы по методам высокого порядка точности и моделированию крупномасштабной турбулентности с использованием суперкомпьютерной методологии;
1.2 методы обеспечения устойчивости схемы Галеркина четвертого порядка точности с разрывными базисными функциями;
1.3 метод LES с оригинальным алгоритмом в пристенной области и с учетом требований численной схемы высокого порядка точности;
1.4 верифицированную программу расчета течения вязкого турбулентного газа на суперкомпьютере с рекордным количеством ядер;
1.5 тесты для оценки точности расчета характеристик сопл гражданских самолетов при помощи компьютерных программ;
1.6 тесты для оценки точности расчета интенсивности вихрей в атмосфере при помощи компьютерных программ;
1.7 оценки интенсивности вихрей, создаваемых региональным самолетом в окрестности аэропорта.

2.Основные характеристики планируемых результатов:
2.1 способность к правовой охране;
2.2 готовность к представлению на конференциях;
2.3 готовность к публикации в рецензируемых изданиях
2.4 высокий уровень верификация и валидации
2.5 международная апробация


Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1.1 Программа, ориентированная на использование многопроцессорных систем и предназначенная для прямого моделирования турбулентности методом LES с целью поиска компромисса по уменьшению интенсивности вихревого следа без дополнительных потерь аэродинамического качества. Указанная программа использует метод высокого порядка точности и верификационные тесты, выполненные в данном проекте.
1.2 Результаты проекта имеют ключевое значение при разработке указанной программы, т.к. предлагают принципиально новый метод LES высокого порядка точности и опыт его первичного применения.

2. Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик.
Новизна решаемой проблемы определяется повышенными требованиями к топливной эффективности авиации, эксплуатируемой в Российской федерации. В предлагаемом докладе затронут один важный аспект, связанный с точностью расчета методами LES вихревой пелены за самолетом. Это позволяет производить расчеты вихревой обстановки в окрестности аэропортов и определять величину "вихревой" дистанции между самолетами. Также с использованием метода LES решается задача увеличения углов атаки самолета при наборе высоты и снижении в окрестности населенного пункта (полет на околокритических углах атаки), что сокращает время работы двигателей и приводит к экономии топлива.
Новизна материалов, представленных в докладе, заключается в том, что они впервые в Российской Федерации демонстрируют решение амбициозной задачи доведения методов прямого численного моделирования турбулентности до индустриального уровня.

Проект является инновационным, так как в нем ставится принципиально новая задача моделирования турбулентности с необходимой для промышленности точностью и последующим решением на суперкомпьютерах реальных (не модельных) задач. В проекте применяется новый подход LES на основе метода Галеркина с разрывными функциями высокой точности, а также разрабатывается программа для суперкомпьютера, которая будет подлежать правовой охране.
3. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
К необходимости создания новых вычислительных технологий, направленных на решение задач индустрии, пришли одновременно в различных странах. В Европейском Союзе в 2014 году завершился проект IDIHOM (Industrialisation of High-Order Methods – A Top-Down Approach), в реализации которого приняли участие фирмы и университеты одиннадцати стран (URL: http:// www.idihom.de/). Как следует из названия, проект посвящен доведению до "индустриального"
уровня методов высокого порядка точности. Наибольший прогресс достигнут в Италии (UNIBG - University of Bergamo), Германии (DLR - Deutsches Zentrumfür Luftund Raumfahrt) и России (ЦАГИ). Хорошие результаты дал Метод Галеркина с Разрывными Функциями (Discontinuous Galerkin, DG) четвертого порядка точности. Он позволяет без потерь точности решать задачу вязкого обтекания фюзеляжа с крылом самолета на сетке 300.000 ячеек вместо 14.000.000, используемых в современных индустриальных программах. Успех достигнут за счет высокой степени международной кооперации партнеров. (URL: http://www.airframer.com/direct_detail.html?company=115956). Представленные результаты базируются на достигнутом в проекте IDIHOM уровне и позволяют сделать следующий шаг по улучшению модели LES применительно к решению индустриальных задач.

4. Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.
Заявленные результаты могут быть достигнуты путем решения нескольких задач, тесно связанных друг с другом:
1) Разработка устойчивой схемы Галеркина четвертого порядка точности с разрывными базисными функциями (URL: http://elibrary.ru/item.asp?id=11736446).
2) Разработка эффективного интегратора по времени для явной численной схемы высокого порядка точности с учетом ограничения по числу Куранта.
3) Разработка метода LES на основе модификации метода Смагоринского
4) Разработка и тестирование программы расчета на суперкомпьютере.
5) Тестирование программы на примере индустриального теста "сопло с шевронами".
6) Оценка точности расчета "вихревой пелены".
7) Расчет характеристик реального малошумного сопла двигателя пассажирского самолета.
8) Расчет вихревого следа после пролета самолета в атмосфере с оценками экологического воздействия.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Описание областей применения планируемых результатов (области науки и техники, отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использоваться результат или планируемая на их основе инновационная продукция).
1) Разработанная методология может использоваться в области образования для подготовки теоретических и практических учебных курсов. Иностранные партнеры примут участие в подготовке и чтении этих курсов. В качестве стартового университета предполагается использовать МФТИ. При условии положительного опыта список университетов может быть расширен до десяти, включая МГУ и СПБГУ.
2) Разработанная программа может использоваться в области инноваций в качестве стандартного математического обеспечения суперкомпьютерных центров. Разработанные иностранными партнерами методы эффективного распараллеливания задач будут использоваться напрямую. В настоящее время это может быть вычислительный центр ОАК (URL: http://www.sdelanounas.ru/ blogs/57952/).
3) По результатам проекта можно ожидать совершенствования технологии взлета и посадки самолета по экологически обоснованным траекториям в окрестности региональных аэропортов.

2. Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования.
1) Теоретические и практические результаты по вихревому состоянию атмосферы в районе региональных аэропортов могут использоваться при разработке "Электронного Летного Руководства экипажа воздушного судна" (URL: http://www.nbaa.org/ops/cns/efb/). Это область масштабного применения результатов проекта, так как число бортовых компьютеров на самолетах исчисляются тысячами.
Конкурентные преимущества с большой вероятностью получат предприятия авиационной промышленности, использующие суперкомпьютерные технологии. На этапе предварительного проектирования они смогут оценить экологические аспекты воздействия самолета на окружающую среду, что даст им аргумент в борьбе за "портфель заказов" и инвестиции.


3. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений, разработку новых технических решений; на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сферы.
Влияние планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений оценивается как высокое, так как все данные верифицируются экспериментальными и теоретическими тестами международного проекта TILDA.
Народнохозяйственный эффект в долгосрочной перспективе оценивается, как значительный.
Комплексное решение сформулированных в проекте проблем позволит достигнуть цели - повышение мобильности населения за счет приближения региональных аэропортов к городам и поселкам.


4. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечение развития материально-технической и информационной инфраструктуры.
Международное сотрудничество в рамках данного проекта будет способствовать популяризации науки, так как позволяет освоить имеющийся у партнеров опыт проведения расчетов на суперкомпьютерах сверхбольшой мощности и популяризировать его в российских университетах.
Международное сотрудничество в данном проекте обеспечит обеспечение развития материально-технической и информационной инфраструктуры, так как даст реальное сопоставление эффективности разрабатываемой в Российской Федерации методологии по отношению к аналогичным методологиям в Европейском Союзе и позволяет выработать рекомендации по развитию инфраструктуры российских университетов.

Текущие результаты проекта:
1 Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках научных исследований за период 2010-2015 гг.
2 Обоснование выбора направления исследования.
3 Разработка устойчивой схемы Галеркина четвертого порядка точности с разрывными базисными функциями
4 Оценка эффективности решения задачи с применением ортогональных базисных функций.
5 Разработка эффективного интегратора по времени для явной численной схемы высокого порядка точности с учетом ограничения по числу Куранта.
6 Разработка метода LES на основе схемы высокого порядка точности
7 Модернизация расчетного метода для нестационарной постановки и изучение влияния "массовой" матрицы на устойчивость расчета – иностранные партнеры.
8 Подсеточная модель турбулентности высокого порядка точности – иностранные партнеры.
9 Подготовка данных для выполнения расчета по теме "Taylor-Green Vortex"– иностранные партнеры.
10 Подготовка данных для выполнения расчета по теме «Периодические холмы» проекта TILDA и наладочные расчеты– иностранные партнеры.