новости

В последние десятилетия численное моделирование стало одним из ключевых инструментов научного исследования. Аэрогидродинамика — одна из областей, где численное моделирование применяется особенно широко. Современные аэрогидродинамические задачи часто включают сложные физические процессы и явления, происходящие на самых разных пространственных и временных масштабах: ламинарно-турбулентный переход, химические реакции, тепловое излучение газа, эффекты разреженности, присутствие в потоке капель и частиц пыли и многое другое. В качестве примера можно привести вход космических аппаратов в атмосферу Земли и других планет, задачу, в которой для предсказания силовых и тепловых нагрузок требуется выполнить численное моделирование неравновесного высокоэнтальпийного течения, включающего сильные ударные волны.

Физические модели, используемые для описания сложных течений, и численные методы решения уравнений аэрогидродинамики непрерывно совершенствуются, быстро развивается вычислительная техника. Так, в последние годы появились более совершенные и лучше обоснованные модели для описания сильно неравновесных течений и обмена энергией между различными степенями свободы молекул, более широкое распространение получили схемы высоких порядков точности, графические процессорные устройства (ГПУ) уверенно победили в соревновании с обычными многоядерными центральными процессорами (ЦПУ) по производительности и степени параллелизма вычислений.

Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН всегда активно участвовал в исследованиях по аэрокосмической тематике, и ответом на вызовы технологических запросов стала разработка в рамках государственного задания программного комплекса SUNSHyNE (Structured/Unstructured-Grid Navier-Stokes Solver for Hybrid CPU/GPU Modeling of Non-Equilibrium Gas Flows, англ. «решение уравнений НавьеСтокса для моделирования неравновесных течений газа на структурированных и неструктурированных сетках с использованием гибридной вычислительной архитектуры»). Название отражает его назначение и возможности: компьютерное моделирование неравновесных течений многокомпонентных химически реагирующих газовых смесей в областях со сложной геометрией с использованием различных типов расчетных сеток и современных схем сквозного счета на широком спектре вычислительных архитектур. Целью работы было создание достаточно универсального средства моделирования, полезного как для изучения фундаментальных аспектов аэрогидромеханики, так и для решения прикладных и инженерных задач. Авторы SUNSHyNE опирались на свой многолетний опыт создания отчуждаемых программных пакетов, ориентировались на опыт разработчиков отечественных пакетов вычислительной аэрогидродинамики и пользователей популярных коммерческих пакетов, таких как Ansys Fluent. Важным аспектом программного комплекса является наличие дружелюбного графического интерфейса на основе свободно распространяемой интегрируемой программной платформы Salome.

В настоящее время SUNSHyNE проходит апробирование сотрудниками ИТПМ СО РАН на широком круге доступных в литературе тестовых задач. Пакет проходит верификацию, т.е. подтверждение отсутствия ошибок программирования, и валидацию, которая подтверждает, что используемые физико-математические модели и численные методы обеспечивают согласие экспериментальными данными с требуемой точностью. Продемонстрировано успешное использование разработанного инструментария для численного моделирования неравновесных течений, задач внешнего обтекания, прямого численного моделирования перехода к турбулентности, фундаментальных задач в области взрывобезопасности.

Дальнейшая работа над программным комплексом будет включать повышение вычислительной эффективности численных методов, ускорение процесса разработки и внедрения новых возможностей, а также доработку графического интерфейса и интегрированного с системами автоматического проектирования, в том числе отличными от платформы Salome, что позволит облегчить взаимодействие исследователей и инженеров с разработанным программным комплексом и ускорить его внедрение в научных и промышленных организациях России.

Проект сопровождается Дирекцией НТП и реализуется Минобрнауки России совместно с Российской академией наук. Он направлен на содействие технологической модернизации российской экономики с использованием научного, кадрового и инфраструктурного потенциала научных учреждений и образовательных организаций высшего образования.