Соглашение о предоставлении субсидии 19.604.21.0037 от 19.06.2014

Тема проекта: “Разработка программного обеспечения суперЭВМ для подбора оптимальной конфигурации дефлектора с целью снижения акустических нагрузок на конструктивные элементы высокоскоростных транспортных средств”

Основные полученные результаты

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 19 июня 2014 г № 14.604.21.0037 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 1 в период с 19 июня 2014 г. по 31 декабря 2014г. проведены следующие работы:

1. выполнен обзор и анализ современной научно-технической, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ;
2. проведены патентные исследования;
3. разработана и теоретически исследована математическая модель аэродинамического обтекания дефлектора для подбора его оптимальной конфигурации с целью снижения акустических нагрузок на конструктивные элементы высокоскоростных транспортных средств;
4. осуществлена адаптация существующих численных методов для расчетов с использованием разработанной модели аэродинамического обтекания дефлектора для подбора его оптимальной конфигурации с целью снижения акустических нагрузок на конструктивные элементы высокоскоростных транспортных средств;
5. разработан эффективный параллельный алгоритм, реализующий расчеты по разработанной математической модели и адаптированным численным методам;
6. осуществлены выбор и описание модельных задач для верификации разработанной численной методики;
7. проведена верификация разработанной численной методики расчета для подбора оптимальной конфигурации дефлектора с целью снижения акустических нагрузок на конструктивные элементы высокоскоростных транспортных средств;
8. выполнена оценка эффективности разработанного параллельного алгоритма как в гибридном режиме с общей и распределенной памятью, так и по отдельности для распараллеливания с общей и распределенной памятью;
9. определена оптимальная конфигурация суперкомпьютера для заданного класса задач, определена оптимальная конфигурация распараллеливания для заданной архитектуры.

По итогам выполненной работы можно сделать следующие выводы.

1. Обзор и анализ современной научно-технической методической литературы позволил определить актуальный уровень мировых исследований, направленных на решение научно-технических проблем, исследуемых в рамках ПНИ. Установлено, что для численного моделирования задач аэродинамического обтекания препятствий, где необходимо многократно изменять их геометрическую форму, эффективно использовать подходы, основанные на методе погруженных границ. Изучены различные варианты методов погруженных границ и определены оптимальные для применения в решении задач, исследуемого класса.
2. Проведенные патентные исследования подтвердили актуальность проведения ПНИ и соответствие заявленных в ТЗ требований к результату ПНИ современному уровню и тенденциям развития данной области техники.
3. Разработанная математическая модель аэродинамического обтекания основана на методе погруженных границ. Этот метод используется для имитации влияния обтекаемого тела на вязкое сжимаемое течение. Построенная модель не предполагает использования согласованных с границей расчетных сеток, что позволит проводить серийные расчеты по выбору оптимальной конфигурации дефлектора с целью снижения акустических нагрузок на конструктивные элементы высокоскоростных транспортных средств (требование ТЗ 4.2.1.1).
4. Адаптация численных методов проведена с учетом особенностей построенной математической модели аэродинамического обтекания, в том числе, учитывались особенности, связанные с типом граничного условия, задаваемого на границе твердого тела (требование ТЗ 4.2.1.2). Адаптированные численные методы ориентированы на использование неструктурированных расчетных сеток (требование ТЗ 4.2.2) и обеспечивают проведение расчетов с порядком точности не ниже второго на произвольных неструктурированных сетка и могут давать пятый порядок для трансляционно симметрических сеток (требование ТЗ 4.2.6.).
5. Разработанный эффективный параллельный алгоритм основан на двухуровневом распараллеливании с использованием технологии MPI&OpenMP. В результате комплексной оценки его эффективности, включающей оценку параллельной эффективности отдельно для распараллеливания с общей памятью, отдельно для распараллеливания с распределенной памятью, и для гибридного режима с общей и распределенной памятью, получены показатели, которые согласуются с требованиями 4.2.3-4.2.5 технического задания.
   Оптимальная конфигурация суперкомпьютера для расчета заданного класса задач на сетке с числом узлов согласно пункту 4.2.7 ТЗ составляет порядка 10 тысяч процессорных ядер (и более), двухпроцессорные вычислительные модули, с 8-12-ядерными процессорами и не менее 16-24Гб оперативной памяти, соответственно. Оптимальная конфигурация распараллеливания на примере архитектуры суперкомпьютера МВС-10П имеет следующий вид: 1 нить на MPI процесс, 16 MPI процессов на узел, - до 64 ядер включительно, 8 нитей на MPI процесс, 2 процесса на узел, - свыше 64 ядер.
6. Верификация численной методики, проведенная посредством решения выбранных модельных задач, показала, что она может быть эффективно использована для решения задач аэродинамического обтекания препятствий вязкой сжимаемой жидкостью.

Разработанная в ходе выполнения проекта численная методика сочетает в себе целый ряд технологий и подходов высокого уровня, в первую очередь, это метод погруженных границ, оригинальные высокоточные численные методы на неструктурированных сетках, эффективные алгоритмы распараллеливания. Комплексная разработка и эффективная программная реализация этих подходов обеспечивает научную новизну полученных результатов.

Ни одна из известных методик численного моделирования задач аэродинамического обтекания, позволяющая проводить расчеты с использованием метода погруженных границ, не сочетает в себе вычислительные технологии подобного высокого уровня.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.