|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ФНКЦ РР |
||
Создание высокопроизводительных вычислительных комплексов программ для предсказательного моделирования и виртуального прототипирования двигательных устройствНИР
Developing supercomputing systems for modeling and simulations of RAM engines
- Руководители НИР: Бетелин В.Б., Кушниренко А.Г.
- Участники НИР: Бетелин В.Б., Михальченко Е.В., Никитин В.Ф., Романова Д.И., Рыбакин Б.П., Скрылева Е.И., Смирнов Н.Н., Стамов Л.И., Тюренкова В.В., Шамина А.А.
- Подразделение: Кафедра высокопроизводительных вычислений
- Срок исполнения: 2 января 2017 г. - 31 декабря 2019 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 17-07-00549
- Номер ЦИТИС: АААА-А17-117041110079-4
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Создание параллельных алгоритмов решения многомерных задач газовой динамики с учетом процессов горения и гравитации для многопроцессорных систем и систем с гибридной архитектурой
- ПН России: Информационно-телекоммуникационные системы
- Направление технологического прорыва России: Стратегические информационные технологии
-
Рубрики ГРНТИ:
- 27.35.17 Математические модели газовой динамики
- 27.35.45 Математические модели теплопроводности и диффузии
- 30.17.33 Газовая динамика
- 50.41.25 Прикладное программное обеспечение
-
Ключевые слова:
горение, газогенераторы, прямоточные двигатели, аппаратно-программные комплексы, высокопроизводительные вычисления, виртуальное моделирование
combustion, high-performance computing, ramjet engine, gas generators, hardware-software systems, virtual modeling -
Описание:
Цель проекта - создание высокопроизводительных вычислительных комплексов программ для оптимального виртуального проектирования прямоточных двигателей гиперзвуковых летательных аппаратов с учетом газогенерации и горения в неравновесных многофазных потоках. При этом будет проводиться встречная оптимизация архитектуры вычислительного комплекса и программного обеспечения для обеспечения предсказательного моделирования с минимальным накоплением ошибок.
-
Планируемые результаты:
Междисциплинарность и новизна подходов и методов состоит в следующем. При создании вычислительного комплекса будет использован метод встречной оптимизации, когда в едином цикле разрабатываются и алгоритмы предсказательного моделирования процессов горения в сверхзвуковых неравновесных и неоднородных потоках, и оптимальная структура вычислительного гибридного вычислительного комплекса, содержащего как универсальные процессоры, так и потоковые ускорители. Ожидаемые результаты: 1. В 2017 году создание алгоритмов, математического обеспечения, высокопроизводительных программных средств и отработка технологии их применения для моделирования процессов горения, физических и химических превращений в технических системах. Разработка альфа-версии программы для оптимального виртуального проектирования прямоточных двигателей гиперзвуковых летательных аппаратов с учетом газогенерации и горения в неравновесных многофазных потоках. 2. В 2018 году разработка версии на оптимизированной аппаратной части. Оптимизация предполагает архитектуру вычислителя, ориентированную на массивно-параллельное решение жестких систем дифференциальных уравнений. 3. В 2019 тестированный код с уточненными и доработанными моделями на базе сравнения результатов расчетов с экспериментальными данными.
-
Научный задел:
- Создана численная модель для описания динамики турбулентного горения смесей газа с полидисперсными частицами. Модель учитывает термическое разрушение частиц, химические процессы в газовой фазе и гетерогенные реакции окисления на поверхности частиц как в диффузионном, так и в кинетическом режимах. - Разработаны подходы для учета в рамках численной модели разрушения капель жидкости в турбулентном потоке газа и образования полидисперсного облака фрагментов. - Исследована чувствительность зажигания и горения полидисперсных смесей к изменениям внешних определяющих параметров. - Показано, что зона горения гетерогенных смесей имеет большую толщину и нерегулярную структуру с многочисленными горячими областями. Скорость ее распространения сильно зависит от начальной турбулизации, распределения частиц по размерам, концентрации кислорода в газовой смеси. - Возрастание начального уровня турбулизации ускоряет распространение пламени но подавляет зажигание вблизи предельных условий поджигания смеси. - Уменьшение средней объемной концентрации пыли уменьшает скорость распространения пламени и создает менее благоприятные условия для зажигания вблизи пределов. - Неравномерность распределения диспергированной фазы в смеси создает более благоприятные условия для зажигания и уменьшает нижний предел. - Неравномерность пространственного распределения диспергированной фазы наряду с созданием более благоприятных условий зажигания затягивает переход горения в детонацию, если такой переход может иметь место при данной концентрации горючего и окислителя. - Исследовано влияние на зажигание и горение разреженных полидисперсных смесей неравномерности распределения конденсированной фазы. - Ведутся исследования по применению графических ускорителей для решения задач горения в камерах двигателей. - Разработан специализированный процессор к-128 для проведения параллельных вычислений.
-
Основные результаты:
В рамках выполнения проекта были получены следующие результаты: 2019 год 1. Данные верификации вычислительного комплекса на основе аналитических и численных решений. 2. Результаты тестирования, работоспособности и адекватности предсказательных моделей на основании экспериментальных данных для модельных камер сгорания, а также на основании данных для отражений сильных ударных волн в химически реагирующих газах в ударных трубах. 3. Результаты параметрического исследования инициирования горения в гибридных системах. 2018 год 4. Рекомендации к архитектуре многопроцессорных суперЭВМ и алгоритмическая компоновка для решения задач предсказательного моделирования горения в технических устройствах с учетом различных воздействий. 5. Произведена доработка программного комплекса для решения задачи распространения фронта газификации против потока. 6. Проведены исследования и определены условия, при которых возможен срыв процессов горения при различной температуре и скорости окислителя. 7. Рассмотрены различные конфигурации расположения горючего в гибридном двигателе. 2017 год 8. Созданы алгоритмы, математическое обеспечение, высокопроизводительных программных средств и отработана технологии их применения для моделирования процессов горения, физических и химических превращений в технических системах, а именно, в прямоточных гибридных двигателях. 9. На основании авторской методики расчета неравновесных турбулентных течений многофазных смесей, разработана модель турбулентного течения и горения в гибридном двигателе, в котором горючее и окислитель находятся в разных фазах: горючее в конденсированной фазе, а газообразный окислитель поступает в камеру сгорания со сверхзвуковой скоростью. 10. Разработана программа для оптимального виртуального прототипирования прототипов прямоточных двигателей гиперзвуковых летательных аппаратов, использующих гибридную схему. 11. Разработана модель и программа расчета газогенерации и горения в неравновесных потоках над поверхностью конденсированного горючего. Показано, что газогенерация и массоподвод горючего уменьшается по мере удаления от начала вглубь камеры сгорания по направлению оси. Этот эффект обусловлен наличием внешнедиффузионного торможения реакции, в результате которого горючее и окислитель медленнее поступают в зону реакции сквозь образующиеся продукты реакции, количество которых возрастает. Поэтому снижается энерговыделение в потоке, что ведет к уменьшению скорости газификации. Результаты относительно роли диффузионного торможения являются новыми, они были доложены на международном конгрессе и опубликованы в научном журнале по аеронавтике. Полученные в ходе выполнения проекта результаты нашли отражения в публикациях участников и выступлениях на различных научных форумах. 1. Стамов Л. И., Никитин В. Ф., Скрылева Е. И., Тюренкова В. В. Предсказательное моделирование двигательных устройств // ЛОМОНОСОВСКИЕ ЧТЕНИЯ Научная конференция Секция механики 15–25 апреля 2019 года Тезисы докладов. — Секция механики 15-25 апреля 2019. — Москва: Москва, 2019. — С. 171–172. 2. Тюренкова В. В., Стамов Л. И. Распространение пламени по поверхности материала в потоке окислителя // Международная конференция Математика и информационные технологии в нефтегазовом комплексе, посвящённая дню рождения великого русского математика академика П.Л. Чебышёва: Труды конференции. / (Обнинск,14–19 мая; Сургут, 23 мая 2019 г.) / Под ред. В. Б. Бетелин. — Издательство ООО "Порто-принт" Самара, 2019. — С. 145–146. 3. Смирнов Н. Н., Никитин В. Ф., Стамов Л. И. Вычислительное моделирование возникновения детонации в водородно-воздушной смеси при фокусировке ударных волн // Сборник докладов. VI Минский международный коллоквиум по физике ударных волн, горения и детонации, 11-14 ноября 2019 г. — Институт тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН Беларуси г. Минск, 2019. — С. 143–149. 4. Стамов Л. И. Численное моделирование инициирования детонации при фокусировке ударных волн // Тезисы XX Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям. г. Новосибирск, Россия, 28 октября - 1 ноября 2019 г. — ИВТ СО РАН Новосибирск, 2019. — С. 44–45. 5. Кушниренко А. Г., Стамов Л. И., Тюренкова В. В., Михальченко Е. В., Смирнова М. Н. Система вычислительного моделирования камеры сгорания гибридного твердотопливного двигателя // Вычислительные технологии (сдано в редакцию). 6. Кушниренко А. Г., Стамов Л. И., Никитин В. Ф., Михальченко Е.В. Система предсказательного вычислительного моделирования гибридных твердотопливных двигательных устройств // XXV Всероссийский семинар с международным участием по струйным, отрывным и нестационарным течениям: Тезисы докладов. Санкт-Петербург, 11-14 сентября 2018 года / Сост.: М.В. Чернышов, А.С. Капралова. СПб.: Балт. гос. техн. ун-т, 2018. - 254 с. — СПб.: Балт. гос. техн. ун-т, 2018. — С. 147–148. 7. Разработка высокопроизводительных вычислительных комплексов для предсказательного моделирования перспективных двигательных устройств / Н. Н. Смирнов, В. Ф. Никитин, Л. И. Стамов и др. // XVII Международная конференция "Супервычисления и математическое моделирование". — РФЯЦ-ВНИИЭФ, Саров, 2018. — С. 117–118. 8. Betelin V.B., Kushnirenko A.G., Smirnov N.N., Nikitin V.F., Tyurenkova V.V., Stamov L.I. Numerical investigations of hybrid rocket engines // Acta Astronautica, 2018, 144, 363-370. 9. Никитин В.Ф., Смирнов Н.Н., Стамов Л.И., Тюренкова В.В. Создание высокопроизводительных вычислительных комплексов программ для предсказательного моделирования и виртуального прототипирования двигательных устройств // ЛОМОНОСОВСКИЕ ЧТЕНИЯ. — Секция механики. 16-25 апреля 2018. — ИЗДАТЕЛЬСТВО МГУ Москва Москва, 2018. — С. 156–156. 10. Veronika Tyurenkova, Nickolay Smirnov, Mariya Smirnova. Mathematical modelling of burning surface in parallel flow of oxidant // MATEC Web of Conferences. — 2018. — Vol. 209. — P. 1–5. 11. Smirnov N. N., Tyurenkova V. V., Smirnova M. N. Laminar diffusion flame propagation over thermally destructing material // Proceedings of 68th International Astronautical Congress, Adelaide, Australia, 25-29 September 2017. — 2017. — P. 1–9.
- Добавил в систему: Стамов Любен Иванович
Источник финансирования НИР
| грант РФФИ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 12 апреля 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Создание высокопроизводительных вычислительных комплексов программ для предсказательного моделирования и виртуального прототипирования двигательных устройств (этап 1, 2017 год) |
| Результаты этапа: В рамках решения основной задачи Проекта - - создания высокопроизводительных вычислительных комплексов программ для оптимального виртуального проектирования прямоточных двигателей гиперзвуковых летательных аппаратов с учетом газогенерации и горения в неравновесных многофазных потоках - на этапе 2017 года получены следующие результаты. 1. Созданы алгоритмы, математическое обеспечение, высокопроизводительных программных средств и отработана технологии их применения для моделирования процессов горения, физических и химических превращений в технических системах, а именно, в прямоточных гибридных двигателях. 2. На основании авторской методики расчета неравновесных турбулентных течений многофазных смесей, разработана модель турбулентного течения и горения в гибридном двигателе, в котором горючее и окислитель находятся в разных фазах: горючее в конденсированной фазе, а газообразный окислитель поступает в камеру сгорания со сверхзвуковой скоростью. 3. Разработана альфа-версия программы для оптимального виртуального прототипирования прототипов прямоточных двигателей гиперзвуковых летательных аппаратов, использующих гибридную схему. 4. Разработана модель и программа расчета газогенерации и горения в неравновесных потоках над поверхностью конденсированного горючего. Показано, что газогенерация и массоподвод горючего уменьшается по мере удаления от начала вглубь камеры сгорания по направлению оси. Этот эффект обусловлен наличием внешнедиффузионного торможения реакции, в результате которого горючее и окислитель медленнее поступают в зону реакции сквозь образующиеся продукты реакции, количество которых возрастает. Поэтому снижается энерговыделение в потоке, что ведет к уменьшению скорости газификации. Полученные результаты относительно роли диффузионного торможения являются новыми, они были доложены на международном конгрессе и опубликованы в научном журнале по аеронавтике. Участие в научных мероприятиях по тематике Проекта за период 2017 Laminar diffusion flame propagation over thermally destructing material (Устный) • Smirnov Nickolay N., Tyurenkova Veronika V., Smirnova Mariya N. • в сборнике Proceedings of 68th International Astronautical Congress, Adelaide, Australia, 25-29 September 2017, с. 1-9 • • 2017 Построение параллельных алгоритмов для решения трехмерных задач гиперзвуковой газовой динамики (Устный) • Авторы: Рыбакин Б.П., Смирнов Н.Н., Стамов Л.И., Тюренкова В.В. • Ломоносовские чтения - 2017, МГУ имени М.В. Ломоносова, Россия, 17-26 апреля 2017 Библиографический список публикаций по проекту. 1. V.B. Betelin, A.G. Kushnirenko, N.N. Smirnov, Nikitin V.F. V.V. Tyurenkova, L.I. Stamov. Numerical investigations of hybrid rocket engines. Acta Astronautica, (2018) 2. Smirnov Nickolay N., Tyurenkova Veronika V., Smirnova Mariya N. Laminar diffusion flame propagation over thermally destructing material. Proceedings of 68th International Astronautical Congress, Adelaide, Australia, 2017, р. 1-9. | ||
| 2 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Создание высокопроизводительных вычислительных комплексов программ для предсказательного моделирования и виртуального прототипирования двигательных устройств (этап 2, 2018 год) |
| Результаты этапа: В рамках выполнения проекта за 2018 год было получено: 1. Рекомендации к архитектуре многопроцессорных суперЭВМ и алгоритмическая компоновка для решения задач предсказательного моделирования горения в технических устройствах с учетом различных воздействий. 2. Произведена доработка программного комплекса для решения задачи распространения фронта газификации против потока. 3. Проведены исследования и определены условия, при которых возможен срыв процессов горения при различной температуре и скорости окислителя. 4. Рассмотрены различные конфигурации расположения горючего в гибридном двигателе. Применение гибридных твердотопливных двигателей, использующих компоненты топливной смеси в разных агрегатных состояниях, является достаточно привлекательным, так как такой тип двигателей обладает рядом преимуществ по сравнению с жидкостными или твердотопливными двигателями. Например, по сравнению твердотопливными двигателями он обладает большей безопасностью, так как позволяет хранить компоненты топлива раздельно друг от друга, а также дает возможность управления тягой двигателя. По сравнению с жидкостными двигателями гибридные обладают более простой конструкцией и большей простотой с точки зрения обслуживания. Одним из наиболее быстрых и относительно дешевых способов разработки таких двигателей является компьютерное моделирование. Проведение предсказательного вычислительного моделирования таких устройств в силу своей достаточно высокой сложности затруднительно без использования высокопроизводительных вычислительных комплексов и разработки параллельных алгоритмов и программ. Коллективом было проведено трехмерное численное моделирование процессов, протекающих в камере сгорания твердотопливного двигателя, в который окислитель поступает в газообразной форме со сверхзвуковой скоростью. Часть внутренней поверхности двигателя выполнена из твердого топлива. Предполагается, что в ходе химических реакций, протекающих на поверхности твердого топлива в результате взаимодействия с набегающим потоком, в камеру выделяется газообразное горючее вещество – бутадиен, которое также начинает смешиваться и реагировать с набегающим потоком окислителя. При этом рассматривалось два способа моделирования выделения газообразного горючего через твердую поверхность топлива: с помощью приближенных аналитических интегральных формул и с помощью пристеночных функций, вычисленных на основании полученных в ходе численного счета параметров среды около поверхности стенки. Характерные размеры двигателя основаны на экспериментальных данных из работ Бен-Якара, Натана и Гани, но, в то же время, геометрия существенно отличается. Используемая кинетика горения бутадиена состоит из 11 обратимых реакций и включает 10 компонент (азот выступает в качестве десятой, нейтральной компоненты). Для вычисления газодинамического шага использовался метод MUSCL интерполяции потоков на грань и метод AUSMP для компрессионных членов. Продвижение на второй порядок точности осуществлялось с помощью метода Мак-Кормака. Решение жесткой системы кинетических уравнений осуществлялось с помощью полунеявного метода Новикова 4-го порядка точности из семейства методов Розенброка с двукратным вычислением правой части системы и однократным вычислением якобиана. В работе используется k-ω модель турбулентности Уилкокса. | ||
| 3 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Создание высокопроизводительных вычислительных комплексов программ для предсказательного моделирования и виртуального прототипирования двигательных устройств (этап 3, 2019 год) |
| Результаты этапа: Была проведена верификация разработанного вычислительного комплекса на основе аналитических, численных решений, полученных при применении тестированных вычислительных комплексов на регулярных сетках. Проведено тестирование и подтверждена работоспособность и адекватность предсказательных моделей в целом, в частности, для камер сгорания ракетных двигателей. Тестирование проводилось на основе экспериментальных данных, полученных для модельных камер сгорания, а также для отражений сильных ударных волн в химически реагирующих газах в ударных трубах. Проведены параметрические исследования инициирования горения в гибридных системах. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".