Регистрация / Вход
Прислать материал

Методы параллельных вычислений при мезоскопическом моделировании течения сплошной среды в узком канале с реальной микрогеометрией стенок

Сведения об участнике
ФИО
Богданова Анна Евгеньевна
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Информационные технологии и вычислительные системы
Раздел области наук
Информационные технологии
Тема
Методы параллельных вычислений при мезоскопическом моделировании течения сплошной среды в узком канале с реальной микрогеометрией стенок
Резюме
Большинство существующих моделей, использующие численные методы при расчете течения рабочей среды в узких каналах, либо значительно сужают область исследуемых изделий, либо являются вычислительно сложными, требующими вычислений на суперкомпьютерах. Микротопография поверхностей в таких моделях рассматривается либо на основе двухмерного подхода, либо не рассматривается вовсе.
Таким образом, настоящее исследование направлено на решение актуальной задачи, имеющей существенное народнохозяйственное значение – разработку усовершенствованных математических моделей и программного обеспечения, учитывающих влияние микротопографии поверхностей.
Ключевые слова
Методы параллельных вычислений, мезоскопическоу моделировании, течение сплошной среды, канал с реальной микрогеометрией стенок, микротопография поверхностей, трёхмерная дискретная сетка
Цели и задачи
Построение модели трёхмерного канала, где предложено использовать два подхода: деление, аналогичное двухмерной схеме, и деление по двум координатам. В первом случае дополнительного деления по третьей координате не будет. Вместо вертикальных лент канал нарезается на блоки с единичным шагом по Z координате, что исключает ее при расчетах. Во втором случае вертикальные блоки будут ещё разделены по третьей координате на несколько частей. Тогда все блоки в рамках одинаковых значений координат X (или отрезка значений X) будут обрабатываться на одном ЭВМ. А уже блоки с разными X координатами будут находится на разных ЭВМ и обмениваться посредством MPI
Проектирование и реализация программного комплекса с применением параллельных вычислений для мезоскопического моделирования течения сплошной среды в узком канале с реальной микротопоргафией поверхностей стенок для трёхмерной дискретной сетки с семиточечным шаблоном, а в дальнейшем с пятнадцатиточечным.
Введение

В работе рассматривается моделирование на основе решеточного уравнения Больцмана с аппроксимацией Бхатнагара-Гросса-Крука оператора столкновения частиц. Кроме того, исследуется вопрос  возможности применения методов параллельного программирования для моделирования течения сплошной среды в узком канале с реальной  микрогеометрией поверхностей стенок. В качестве основы для исследования используется разработанный в Московском государственном индустриальном университете (вошёл в состав МАМИ) программный пакет MsiuRoughFlow2D.

Методы и материалы

Степень совпадения результатов конечно-элементного моделирования в среде ANSYS и мезоскопического моделирования с помощью программы MsiuRoughFlow2D высокая.

Проведённые численные эксперименты показали возможность применения математической модели течения сплошной среды на основе решеточного уравнения Больцмана для решения задач со сложной микротопографией рабочих поверхностей каналов.

Существуют способы организации параллелизма для сеточных методов на многопроцессорных вычислительных системах с общей и распределенной памятью. Наиболее широко применяемыми являются OpenMP и MPI соответственно.

         Параллельная схема вычисления параметров потока в сетке D2Q9 может быть получена посредством деления области расчета на горизонтальные либо вертикальные полосы (ленты). Так как течение происходит в узком канале,  предпочтительнее деление на вертикальные полосы. Причем обмен информации между процессорами требуется для соприкасающихся рядов сетки, относящихся к двум соседним полосам, которые показаны на данном слайде темно-серым цветом.

  В нашем случае вертикальные блоки будут ещё разделены по третьей координате на несколько частей. Тогда все блоки в рамках одинаковых значений координат X (или отрезка значений X) будут обрабатываться на одном ЭВМ. А уже блоки с разными X координатами будут находится на разных ЭВМ и обмениваться посредством MPI.

 

Описание и обсуждение результатов

     В результате  спроектирован и реализован программный комплекс с применением параллельных вычислений для мезоскопического моделирования течения сплошной среды в узком канале с реальной микротопоргафией поверхностей стенок для трёхмерной дискретной сетки с семиточечным шаблоном, а в дальнейшем с  пятнадцатиточечным.

Задача является актуальной, так как позволяет изучить параметры течения потока для реальных каналов.

По итогам Студенческой Научно-Технической конференции  ФГБОУ ВО "Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)" от 22.04.2016 второе место в открытой секции " Информационные технологии"

Используемые источники
1. Богомолов, Д.Ю. Мезоскопическое моделирование течения сплошной среды в узких каналах с учётом шероховатости их поверхностей / Д.Ю. Богомолов, В.Ю. Радыгин, В.В. Порошин // Машиностроение и инженерное образование. – 2011. – №2. – С.58-66
2. Богомолов, Д.Ю. Программный комплекс для мезоскопического моделирования течения сплошных сред в узких каналах с реальной микротопографией поверхностей / Д.Ю. Богомолов, В.В. Порошин, В.Ю. Радыгин // Вестник Брянского государственного технического университета. – 2012. – № 4(36) –С.12-21
3. Порошин, В.В. Малогабаритный аппаратно-программный комплекс для измерения шероховатости поверхности на базе цехового профилометра HommelTesterT500 / В.В. Порошин, Д.Ю. Богомолов, А.Г. Костюк, И.Б. Руденко // Приборы. – 2006. – №10. – С38-41
Information about the project
Surname Name
Bogdanova Anna
Project title
Parallel computing methods in mesoscopic modeling of flow continuum in a narrow channel with the real microgeometry of the walls
Summary of the project
For knowledge-intensive high-tech industries requires the development of new methods and mathematical models, allowing to significantly increase the efficiency of design of hydro - and gasdynamic components of various machinery, apparatus, pipelines and the like products due to the capabilities of computers and to reduce financial cost of field experiments.
3 slide
Most of the existing models using numerical methods in the calculation of the flow of the working medium in narrow channels, or significantly narrow the scope of the investigated products, or are computationally complex, requiring supercomputing. Microtopography surfaces in these models is considered either on the basis of a two-dimensional approach, or not considered at all.
Thus, the present study aimed at the solution of actual tasks that have significant economic importance – the development of advanced mathematical models and software taking into account the influence of the microtopography of surfaces.
Keywords
Parallel computing methods, mesoscopical modeling for continua, the channel with the real microgeometry of the walls, microtopography surfaces, three-dimensional discrete grid