Регистрация / Вход
Прислать материал

14.576.21.0079

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.576.21.0079
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
Закрытое акционерное общество "Т-Сервисы"
Название доклада
Разработка суперкомпьютерных технологий бессеточного моделирования течений вязкой жидкости на основе лагранжевых методов для решения сопряженных задач взаимодействия систем упруго связанных тел с потоками сплошной среды
Докладчик
Гувернюк Сергей Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Реализация перспективных отечественных методов бессеточного моделирования для создания эффективной методики прогнозирования нелинейных автоколебаний и авторотации упруго связанных тел в потоке сплошной среды. Общим содержанием исследования является разработка научных и научно-технических решений для программной реализации на суперкомпьютерной технике перспективных разработок (методов вязких вихревых и дипольных доменов) в области вычислительных технологий бессеточного моделирования для решения сопряженных задач нестационарного взаимодействия упруго связанных тел со сплошной средой в научных и инженерных приложениях. Преследуется цель создания нового вычислительного инструмента, который стал бы выгодной альтернативой традиционным сеточным технологиям численного моделирования по направлениям исследования существенно нестационарных нелинейных процессов аэрогидроупругости в свободных и стесненных потоках. Для адекватного моделирования таких процессов необходимо описание движения сплошной среды и взаимодействующих с ней тел как единой динамической системы, что вызывают большие затруднения для традиционных сеточных методов из-за существенной нестационарности процесса и некорректности расщепления сопряженной математической задачи на последовательные динамическую и аэрогидродинамическую составляющие. Известные к настоящему времени иные бессеточные подходы и комплексы программ также пока еще не способны претендовать на адекватное решение сопряженных задач (без искусственного расщепления по физическим процессам).
Актуальность и новизна исследования
Исследование динамики тел, движущихся в сопротивляющейся среде и изменяющих свою форму под действием аэрогидродинамических сил, является фундаментальной научной проблемой. Актуальны вопросы корректного расчета аэрогидродинамических нагрузок, действующих на плохообтекаемые трансформирующиеся конструкции при различных переходных режимах движения (раскрытие в потоке гибкой оболочки или складной системы тел, воздействие на податливую конструкцию ветрового порыва и ряд др.). Сопряженные постановки задач исключительно важны при моделировании машущего полета, автоколебаний и авторотации тел в потоке, аэродинамики высокоманевренных летательных аппаратов, ветродвигателей и иных устройств типа маятников и вертушек, при анализе устойчивости обтекания и флаттера тонких оболочек (парусов, парашютов и т.п.), при отыскании способов предотвращения штопора летательных аппаратов и во многих других случаях. В силу ряда принципиальных математических особенностей сопряженные задачи динамики и гидродинамики весьма трудны для численного исследования и до сих пор еще не нашли адекватного отражения в современных пакетах прикладных программ. Разработка и теоретическое обоснование специальных вычислительных инструментов моделирования сопряженных задач динамики и гидродинамики, а также исследование на их основе механизмов возникновения и развития неустойчивости, автоколебаний и других нестационарных явлений, возникающих при обтекании упруго связанных тел, представляет большой научный и практический интерес.
Описание исследования

В результате выполнения первого этапа ПНИ даны математические обоснования методов и алгоритмов бессеточного численного решения сопряженных задач динамики и гидродинамики на основе двумерного вихревого метода вязких вихревых доменов (ВВД) и трехмерного дипольного метода вязких дипольных  доменов (ВДД). Разработана архитектура прототипов программных решений для бессеточного численного моделирования нестационарных двумерных и пространственных процессов в идеальной и вязкой жидкости при взаимодействии с подвижными деформируемыми телами на основе бессеточного подхода в рамках методов ВВД и ВДД. Разработаны алгоритмы базовых модулей и утилит динамической библиотеки прототипа программных решений ВВД.

Итоги второго этапа ПНИ включают разработку алгоритмов базовых модулей и утилит динамической библиотеки прототипа программных решений ВДД и требований к реализации базовых модулей двумерного вихревого и пространственного дипольного методов. Важным методическим элементом, использованным далее при программной реализации разработанных  алгоритмов, стала разработка системы специализированных тестов для проверки требуемой функциональности и оценки точности программных реализаций базовых модулей программных решений, реализующих двумерный вихревой метод ВВД и трехмерный дипольный метод ВДД.

Итоги третьего этапа ПНИ включают разработку требований на создание экспериментального образца программного комплекса, реализующего программные решения двумерной (ВВД) и трехмерной (ВДД) бессеточных вычислительных технологий, экспериментальную программную реализацию и разработку распараллеленных кодов экспериментального программного комплекса и разработка программы и методик экспериментальных исследований.

На четвертом этапе выполнения ПНИ проведен цикл комплексных экспериментальных общих и специальных тестовых исследований ЭО ПК в соответствии с разработанными на этапе 3 программой и методиками. В результате подтверждена правильность предварительных теоретических разработок и эффективность программно-технических решений, оценены пределы функциональности, производительности, точности и масштабируемости ЭО ПК и его компонент, развита методика прогнозирования нелинейных автоколебаний и авторотации упруго связанных тел в потоке сплошной среды на основе бессеточного численного решения сопряженных задач динамики и аэрогидродинамики с использованием разработанного ЭО ПК. По результатам экспериментальных исследований осуществлена доработка ЭО ПК и скорректирована техническая документация. Усовершенствована функциональность препроцессоров специализированных модулей разработанного ЭО ПК в части доведения их до уровня совместимости со стандартной свободно распространяемой системой инженерного проектирования (Gmsh), а также оснащения постпроцессоров функционалом сохранения данных расчета в формате стандартной графической системы типа TecPlot. Проведено исследование ЭО ПК на предмет выявления резервов повышения производительности за счет совершенствования распараллеливания процессов расчета (однако существенных дополнительных резервов не выявлено).

Выполняются работы текущего этапа ПНИ (заключительного ) по обобщению и оценке результатов исследований в соответствии Техническим заданием.

Результаты исследования

В ходе выполнения ПНИ разработан и реализован ряд оригинальных математически обоснованных программно-технических решений, в том числе, обобщённый безытерационный алгоритм бессеточного численного решения сопряжённых задач взаимодействия систем тел с вязкой жидкостью. На этой основе созданы пять экспериментальных образцов специализированных программных модулей, реализующих вихревой и дипольный бессеточные методы (ВВД и ВДД) решения двумерных и трехмерных сопряженных задач динамики и гидродинамики:

– модуль «Взмах 2D» – для расчета нестационарного  обтекания и аэродинамических характеристик машущих монолитных и многозвенных крыловых профилей с упругими шарнирными связями в вязкой жидкости и в присутствии иных тел;

– модуль «Мост»  – для моделирования явлений возбуждения собственных колебаний профиля произвольной в плане формы, удерживаемого поступательными и вращательными линейно-упругими связями в потоке сплошной среды;

– модуль «Гис-2» – для моделирования возбуждения и поддержания автоколебаний подвижных тел в двумерных стесненных потоках между стенками диффузорных и др. каналов;

– модуль «Насос» – для исследования эффектов прокачки вязкой жидкости за счет колебаний мембраны в области разветвления каналов;

– модуль «Взмах 3D» – для расчета нестационарного обтекания и аэродинамических характеристик трехмерной пластины произвольной формы при совершении ею машущих движений в жидкости.

Результаты тестирования перечисленных ЭО на основе системы специально разработанных тестов показали эффективность принятых программно-технических решений и позволили оценить границы применимости, точность и масштабируемость разработанных модулей. Кроме того, результаты тестирования ЭО на ряде примеров численного исследования ряда сложных гидродинамических течений и аэроупругих взаимодействий, имеющих экспериментальные аналоги, позволяют сделать вывод о том, что разработанная вычислительная технология является эффективным исследовательским инструментом в области нестационарной гидродинамики и динамики систем тел в сопротивляющейся среде. Эти результаты представляют также самостоятельную научную ценность (они опубликованы в российских и зарубежных изданиях, из них в 3-х, входящих в систему цитирования Scopus), а также демонстрируют эффективность и широкие возможности разработанного бессеточного кода для применения при решении исследовательских задач.

На основе применения разработанных специализированных модулей для бессеточного численного решения сопряженных задач динамики и аэрогидродинамики, разработаны методики прогнозирования нелинейных автоколебаний и авторотации упруго связанных тел в потоке сплошной среды и расчета нестационарных сило-моментных нагрузок при обтекании колеблющихся твердых тел (на базе лагранжевого дискретного представления эволюции вихревых и дипольных полей в вязкой несжимаемой жидкости).

Практическая значимость исследования
Разработанные в ходе выполнения ПНИ научные и научно-технические решения составляют основу для проведения ОКР по созданию специализированных программных приложений для решения научных, образовательных и инженерных задач моделирования взаимообусловленного движения тел и сопротивляющейся среды, адекватное решение которых затруднено или невозможно в рамках традиционных программных комплексов.
К таким задачам относятся задачи выявления вихревых механизмов возникновения неустойчивости, автоколебаний, авторотации, вихревого флаттера трансформируемых конструкций и легких оболочек в потоке жидкости, и ряд др., имеющих важное прикладное значение, в том числе в приложении к задачам оптимизации генераторов парных противофазно пульсирующих газовых струй. Выработаны предложения для проведения ОКР «Разработка специализированного программного комплекса для бессеточного расчета нестационарных аэродинамических характеристик при обтекании колеблющихся упруго связанных тел в технических приложениях».
Разработанные методики прогнозирования нелинейных автоколебаний и авторотации упруго связанных тел в потоке сплошной среды, а также расчета нестационарных сило-моментных нагрузок при обтекании колеблющихся твердых тел будут полезны для использования в составе учебных практикумов во многих технических ВУЗах, а также в научно-исследовательских и конструкторских организациях, занимающихся вопросами контроля аэроупругих взаимодействий.