Псевдо-прямое численное моделирование турбулентного конвективно-радиационного тепломассопереноса с использованием технологий параллельных вычислений на графических ускорителях

В настоящее время многочисленные исследования проводятся для более глубокого понимания фундаментальных закономерностей термогравитационных течений, встречающихся во многих инженерных приложениях, таких как отопление помещений, пассивные системы охлаждение топливных элементов и т.д. Несмотря на значительный прогресс в области численных методов и вычислительной техники, естественная конвекция в закрытых полостях хорошо изучена в диапазоне чисел Рэлея только до 10^9. При дальнейшем увеличении подъёмной силы формируется развитый турбулентный поток, который чаще всего и реализуется в реальных инженерных приложениях. В этом случае типичной практикой является использование уравнений Навье-Стокса с усреднением по Рейнольдсу (RANS). Однако RANS в основном разрабатывался для задач вынужденной конвекции, поэтому этот подход часто воспроизводит характеристики тепловой конвекции с большой погрешностью при высоких числах Рэлея даже при использовании пристенных функций [https://doi.org/10.1002/fld.1650180705]. С другой же стороны, в настоящее время очень слабо развиты универсальные подходы для прямого численного моделирования развитых турбулентных термогравитационных течений с приемлемым временем расчета программ. Решение научной проблемы относительно точного прогнозирования характеристик турбулентных термогравитационных течений является актуальным направлением для многих инженерных приложений. В результате выполнения НИР будут разработаны универсальные математические модели, предназначенные для псевдо-прямого численного моделирования процесса турбулентной естественной конвекции на графических ускорителях. Расчет поля течения будет производиться на основе мезоскопических решеточных уравнений Больцмана без привлечения уравнений Навье-Стокса. При этом термодинамические характеристики будут рассчитываться путем конечно-разностного решения макроскопического уравнения энергии. Таким образом, научной новизной предлагаемого проекта является использование гибридных мезо-макроскопических схем и регуляризация высокого порядка точности уравнения Больцмана. Также будут учтены поверхностное и объёмное излучения, массообмен. Следует отметить, что формулируемые математические модели и алгоритмы их численной реализации ничем не уступают ближайшим зарубежным аналогам (коммерческим пакетам ANSYS, COMSOL и т.д.) в рамках рассматриваемого класса задач, а в некоторых аспектах (вычислительная производительность) и вовсе их превосходят. Также на текущий момент не разработаны коммерческие и с открытым исходным кодом решатели CFD на основе гибридных мезомакроскопических схем. Таким образом, при выполнении проекта будут разработаны оригинальные высокопроизводительные математические модели, способствующие в некоторой степени решению вопроса импортозамещения.