CC BY
21
3 ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ И КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ. _КРАТКИЕ НАУЧНЫЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 519.642
МОДЕЛИРОВАНИЕ КРУПНОМАСШТАБНЫХ ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР НА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСАХ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ АРХИТЕКТУРЫ А.В. Бабаков, П.А. Новиков
В работе исследуются вопросы моделирования нестационарного вихревого следа за спускаемыми космическими аппаратами на многопроцессорных вычислительных системах.
Ключевые слова: газодинамика, спускаемый космический аппарат, параллельные алгоритмы.
Введение
Численное моделирование вихревой структуры ближнего следа связано с определенными трудностями, в первую очередь, со сложной структурой потока, а также с отсутствием адекватной модели турбулентности. С вычислительной точки зрения математическое моделирование аэродинамики пространственных объектов характеризуется сложностью построения и большим объемом вычислительной области, размерность которой достигает нескольких миллионов ячеек разностной сетки.
Основной целью исследования являлось изучение на вычислительных комплексах параллельной архитектуры вопросов зарождения и динамики крупномасштабных вихревых структур в ближнем следе, изучение их влияния на аэродинамические характеристики аппаратов.
Методика и результаты численного моделирования
В качестве модели среды выбрана полная нестационарная модель невязкого сжимаемого газа - модель Эйлера. Основаниями для использования данной модели являются выводы [1], где показывается, что мелкомасштабная турбулентность не оказывает принципиального влияния на крупномасштабные вихревые структуры, которые, в основном, являются следствием волновых процессов, не связанных непосредственно с величиной вязкости. Математическая модель выписывается в виде конечно-разностного аналога законов сохранения, записанных в интегральной форме для конечного объема вычислительной ячейки для каждой аддитивной характеристики среды. Численное моделирование течения осуществлялось на основе нестационарного варианта консервативного метода потоков [2], являющегося методом сквозного счета и позволяющего рассчитывать параметры и структуру потока во всей области интегрирования единым образом без выделения особенностей.
Для численного моделирования использовались параллельные алгоритмы, реализованные на многопроцессорных вычислительных системах кластерной архитектуры. Использовался суперкомпьютер МВС-15000ВМ с пиковой производительностью 8,13 ТБЬОРБ и процессорами на решающем поле 3 ГГц.
Моделирование течений в широком диапазоне скоростей определяет разные виды и масштабы вычислительных сеток, что обусловливает различное геометрическое разбиение расчетной области для более эффективного распределения работы между вычислительными узлами. Эффективность расчета на 40-50 процессорных узлах (в зависимости от объема
вычислительной сетки) для варианта программы с объемом области около одного миллиона ячеек достигала в среднем 0,06 с для расчета одного временного слоя.
Анализ результатов численного исследования для околозвуковых режимов показывает, что нестационарные процессы происходят, в основном, в донной области и связаны с формированием и сходом вихрей с обтекаемой поверхности. Диффузия вихревых структур вниз по потоку определяет нестационарность течения, распространяющуюся в ближнем следе, что является причиной осцилляции газодинамических параметров. На рис. 1 в качестве примера показана структура потока в следе за двумя формами спускаемых аппаратов, визуализированная по методике [3].
Рис 1. Структура потока в следе за двумя формами спускаемых аппаратов
Заключение
Реализация параллельных алгоритмов метода потока на вычислительных комплексах кластерной архитектуры позволяет эффективно осуществлять математическое моделирование пространственных течений около моделей космических аппаратов сложной формы, проводить исследования нестационарного вихревого следа и учитывать влияние нестационарности на аэродинамические характеристики в широком диапазоне скоростей.
Литература
1. Belotserkovskii O.M. Turbulence and instabilities. - MIPT, 1999 .- 460 p.
2. Бабаков А.В. Численное моделирование задач внешней аэродинамики в широком диапазоне скоростей на основе консервативных разностных схем // Научная диссертация. - М. Наука, 1992.
3. Hussain A.K. Coherent structure and turbulence // J. Fluid Mech. - 1986. - Vol. 173. -P. 303-356.
Бабаков Александр Владимирович Новиков Павел Александрович
— Институт автоматизации проектирования РАН, зав. отделом, д.ф.-м.н., с.н.с., babakov@icad.org.ru
— Институт автоматизации проектирования РАН, м.н.с., pavel_novikov@mail.ru
