Создание алгоритмических, программных и аппаратных средств моделирования многомасштабных процессов горения в технических и природных системахНИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 10 сентября 2013 г.-31 декабря 2013 г. Создание алгоритмических, программных и аппаратных средств моделирования многомасштабных процессов горения в технических и природных системах (этап 1, 2013 год)
Результаты этапа: 1. Была проведена разработка примеров классических моделей верификационного базиса задач распространения горения и детонации в гомогенных смесях. Получены результаты сравнительного анализа эффективности параллельных вычислений с использованием классических универсальных процессоров и систем распараллеливания OpenMP, MPI, а также специализированных языков программирования типа CUDA при работе с коммерческими графическими ускорителями и коммутационными контроллерами. 2. Проведено усовершенствование модели горения для ракетных и детонационных двигателей. Развиты методики расчета горения кислородно-водородных и углеводородных топлив в ЖРД (учет капельно-дисперсной фазы, повышение временного шага, повышение устойчивости счета). Проведено вычислительное моделирование особенностей мягкого и жесткого инициирования (искрой или сильной ударной волной).
2 23 июня 2014 г.-31 декабря 2014 г. Создание алгоритмических, программных и аппаратных средств моделирования многомасштабных процессов горения в технических и природных системах (этап 2, 2014 год)
Результаты этапа: 1. Была проведена валидация разработанных методик и кодов решения задач горения гомогенных смесей путем сравнения результатов расчетов с экспериментами КБХА, экспериментами и расчетами лаборатории Сандиа, экспериментами Корейского Аэрокосмического университета. 2. Была разработаны модели разрушения струи и образования распыла топлива в потоке газа с учетом процессов разрушения поверхности при возникновении ее неустойчивости, нарастании возмущений, срыве жидкости с гребней волн потоком газа и формирования полидисперсной смеси. 3. Разработка модели зажигания полидисперсной струи с учетом перераспределения энергии вспышки между газообразным компонентом и облаком капель. 4. Решение верификационных задач по диспергированию и горению жидких компонентов в модельной камере сгорания. Важным классом практических задач является моделирование течения реагентов и продуктов горения при моделирование горения топлива в ракетных двигателях. В качестве примера представлена модель горения кислородно-водородной смеси в двигателях. В качестве иллюстраций реализованных алгоритмов проведён расчёт модельной задачи горения в однофорсуночной камере. Расчетная сетка имеет следующие характеристики: размерность: трёхмерная; тип: блочно-структурированная; размер сетки: 900000 ячеек; количество шагов по времени: 9 млн; физическое время процесса: 48 миллисекунд; количество ячеек, приходящееся на один процессор: 25000.
3 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Создание алгоритмических, программных и аппаратных средств моделирования многомасштабных процессов горения в технических и природных системах (этап 3, 2015 год)
Результаты этапа: 1. Проанализировано время исполнения тестовой задачи на компьютере АПК-1 для различного числа нитей исполнения при методе OpenMP. Нуль нитей исполнения соответствует серийному коду (без распараллеливания), одна нить – использование только одного процесса при задействовании метода OpenMP. Получено, что с ростом числа нитей исполнения на многопроцессорной машине время исполнения задачи в большинстве случаев уменьшается. Исключений два: серийный код исполняется быстрее, чем параллельный код при одной нити исполнения. Это естественно, поскольку в серийном коде не тратится компьютерное время и прочие ресурсы на создание и обеспечение работы параллельных процессов. Второе исключение – немонотонный характер этой зависимости при числе процессов больше 40, то есть близкой к предельно возможному числу 48 для одной платы памяти. Причиной немонотонности может быть как характер пересылок, так и вмешательство конкурирующих системных процессов, замедляющих расчет при дефиците свободных исполнителей. 2. Проанализировано время исполнения тестовой задачи на компьютере с графическими сопроцессорами. Вычисления проводились на процессоре NVidia Tesla K40. 3. Проведено сравнение с результатами, полученными на предыдущем этапе с помощью технологии OpenMP. Получено, что для достижения такой же производительности на АПК-1, что и на рассматриваемом графическом процессоре, требуется не менее 40 ядер, с поправкой на различие численных схем и алгоритмов. Следует при этом отметить, что по объему памяти и тем самым по возможности проводить расчет на более мелкой сетке АПК-1 значительно превосходит использовавшийся графический сопроцессор. 4. Сравнение характеристик многопроцессорного расчета задач горения с применением аппаратных средств различной архитектуры. 5. Разработка модели внутрипластового горения нефти в высокотемпературном и низкотемпературном режимах. 6. Решение задачи инициирования зажигания полидисперсной смеси ударной волной при различной пространственной плотности распределения капель жидкого горючего и различных функциях распределения капель по размерам.

Статьи по НИР