Надежная и эффективная технология вихреразрешающего моделирования турбулентных течений для авиационно-космических приложений

Проект направлен на развитие технологий высокоточного вихреразрешающего суперкомпьютерного моделирования турбулентных течений. Основной областью приложений являются задачи авиационно-космической промышленности. Сейчас на практике широко применяются расчеты в стационарных постановках на основе подхода RANS (Reynolds-Averaged Navier–Stokes) в силу их низкой вычислительной стоимости. Однако возможности RANS сильно ограничены. Вихреразрешающие расчеты, в которых воспроизводится динамика турбулентного течения, позволяют предсказывать акустические характеристики, пульсационные нагрузки от турбулентности и шума на поверхность летательного аппарата, более точно предсказывать аэродинамические характеристики, особенно в задачах, где имеют место отрывные течения, ламинарно-турбулентный переход. Основными факторами, ограничивающими применение таких расчетов, являются их высокая сложность и вычислительная стоимость. Благодаря развитию вычислительной техники такие расчеты находят все более широкое применения и в будущем станут ключевым инструментом НИОКР. Обладание такими технологиями моделирования будет критически важно для научно-технического прогресса. В мировой науке уже достигнут существенный прогресс в области вихреразрешающего моделирования, в том числе c участием авторов данного проекта. Созданы модели и методы, позволяющие снизить ресурсоемкость и повысить точность: низкодиссипативные схемы повышенной точности на неструктурированных сетках; улучшенные гибридные RANS-LES методы с быстрым развитием турбулентности в переходных зонах, сочетающие экономичность RANS в зонах погранслоя и точность моделирования турбулентности подходом LES (Large Eddy Simulation) в зонах отрывного течения. Теперь на первый план выходят технологические проблемы. Компонентов численной методики стало очень много, все они влияют друг на друга, стало крайне сложно обеспечивать их оптимальный выбор и настройки. А от конфигурации методики сильно зависит ресурсоемкость и точность результата. Такая сложность ограничивает потенциал практического применения. Данный проект направлен на снижение как сложности применения вихреразрешающего моделирования, так и ресурсоемкости, а также на повышение надежности и эффективности вычислительной методики в целом. Будут рассмотрены низкодиссипативные схемы для неструктурированных сеток, необходимые для корректного воспроизведения баланса кинетической энергии турбулентности, современные гибридные RANS-LES методы, современные гетерогенные параллельные алгоритмы для гибридных суперкомпьютеров. Среди участников проекта разработчики численных схем, методов и моделей для вихреразрешающего моделирования, параллельных алгоритмов. Мотивацией данной работы является большое количество выявленных проблем в области применения вихреразрешающих расчетов в авиационно-космических приложениях. Решение этих проблем позволит расширить практическое применение таких средств суперкомпьютерного моделирования задач газовой динамики. В результате будет создана численная методика, которая без дополнительных настроечных параметров обеспечивает переход от современных схем для LES-моделирования к конечно-объемным схемам на анизотропных призматических сетках в пристеночной области. Будут улучшены гибридные RANS-LES подходы для достижения большей надежности и адаптивности под локальные условия потока и сеточное разрешение, расширена их общая функциональность. На основе новых этих разработок будут созданы “всеядные” с точки зрения вычислительных архитектур гетерогенные параллельные алгоритмы и суперкомпьютерное ПО, ориентированное на промышленные приложения. Будет существенно улучшена технология проведения вихреразрешающих расчетов за счет снижения сложности, повышения точности и надежности, уменьшение ресурсоемкости.