Развитие передовых методов моделирования неравновесных течений газовых смесей с использованием высокопроизводительных вычислительных систем

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-11-00078

НазваниеРазвитие передовых методов моделирования неравновесных течений газовых смесей с использованием высокопроизводительных вычислительных систем

Руководитель Титарев Владимир Александрович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Информатика и управление" Российской академии наук" , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-412 - Суперкомпьютерное моделирование: инструментальные средства, прикладное программное обеспечение и сервисы

Ключевые слова разреженный газ, кинетическое уравнение, прямое статистическое моделирование, неравновесные процессы, высотная аэродинамика, вакуумные технологии, суперкомпьютерные вычисления

Код ГРНТИ27.35.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Настоящий проект направлен на создание нового поколения математических моделей и численных методов моделирования пространственных неравновесных течений смесей газов в задачах расчета аэродинамики и нагрева возвращаемых аппаратов перспективных космических транспортных систем и задачах динамики разреженного газа в приложении к современным вакуумным технологиям. Созданные модели и численные методы будут реализованы в пакетах параллельных программ с возможностью проведения детализированных суперкомпьютерных расчетов на системах Межведомственного суперкомпьютерного центра РАН и других центров. Актуальность рассматриваемой тематики обусловлена запросом на разработку новой перспективной космической техники (корабль Орел, ракета Ангара) и развития вакуумных технологий (лазерная абляция, вакуумное газоструйное осаждение) получения многокомпонентных функциональных покрытий. Сложность экспериментального изучения данного класса течений диктует необходимость создания новых математических моделей и внедрения их в отечественные пакеты численного моделирования. Научная новизна проекта состоит в (1) создании новых теоретических моделей физико-химических процессов (2) разработке новых вычислительных алгоритмов и отечественных пакетов суперкомпьютерного моделирования неравновесных течений (3) большом объеме новых конкретных результатов высокоточного моделирования. В исследованиях будут использованы три разных подхода: прямое статистическое моделирование методом Монте-Карло, решение кинетических уравнений и уравнений сплошной среды. Полученные в проекте математические модели и новые пакеты программ будут тщательно проверены путем сравнения с надежными экспериментальными данными и наиболее достоверными расчетами других научных коллективов. Можно ожидать, что программные комплексы, основанные на детальном поуровневом моделировании физико-химических процессов, будут обеспечивать более высокую точность расчета аэродинамических характеристик и тепловых потоков, чем методы, основанные на стандартных уравнениях Навье-Стокса. Результаты кинетических расчетов будут востребованы в области создания новых материалов для развития технологий получения многокомпонентных функциональных покрытий, а также существенно продвинут понимание нестационарных процессов в вакуумных лазерных технологиях получения новых материалов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Косарева А.А., Кустова Е.В., Мехоношина М.А. Assessment of multi-temperature relaxation models for carbon dioxide vibrational kinetics Plasma Sources Science and Technology, 31, 104002 (год публикации - 2022)
10.1088/1361-6595/ac91f2

2. Истомин В.А., Кустова Е.В., Прутько К.А. Heat and Radiative Fluxes in Strongly Nonequilibrium Flows Behind Shock Waves Vestnik St. Petersburg University, Mathematics, Vol. 9, No. 4, pp. 706–720 (год публикации - 2022)
10.1134/S1063454122040094

3. Морозов А.А., Титарев В.А. Planar Gas Expansion under Intensive Nanosecond Laser Evaporation into Vacuum as Applied to Time-of-Flight Analysis Entropy, V. 24, No, 12, 1738 (год публикации - 2022)
10.3390/e24121738

Публикации

1. Шакурова Л.А., Арминисе И., Кустова Е.В. Effect of slip boundary conditions on nonequilibrium reacting air flows Journal of Theoretical and Applied Mechanics, Vol.53. P. 253-269 (год публикации - 2023)
10.55787/jtams.23.53.3.253

2. Кравченко Д.С., Кунова О.В., Кустова Е.В., Мельник М.Ю. State-to-State Oxygen Kinetics behind Reflected Shock Waves: Assessment of Different Approaches AIP Conference Proceedings (год публикации - 2023)

3. А.А. Морозов, В.А. Титарев Эволюция формы облака газа при импульсном лазерном испарении в вакуум: прямоe статистическоe моделирование и решение модельного уравнения Журнал вычислительной математики и математической физики, Т. 63, N. 12, С. 1960-1972 (год публикации - 2023)

4. Быков Н.Ю., Фёдоров С.А. Алгоритм параллелизации по данным для метода прямого статистического моделирования течений разреженного газа на основе технологии OpenMP Журнал вычислительной математики и математической физики, 2023, том 63, номер 12, страницы 1993-2015 (год публикации - 2023)
10.31857/S0044466923120086

5. В.А. Титарев, А.А. Морозов Efficient Numerical Method for Model Kinetic Equations as Applied to Pulsed Laser Ablation into Vacuum AIP Conference Proceedings (год публикации - 2023)

6. Шакурова Л.А., Кустова Е.В. Slip Boundary Conditions for Gas Mixture Flows with State-to-State Vibrational-Chemical Kinetics AIP Conference Proceedings (год публикации - 2023)

7. Истомин В.А., Кустова Е.В., Прутько К.А. Different Approaches for Simulating Heat and Radiative Fluxes in Planetary Entry Problems AIP Conference Proceedings (год публикации - 2023)

8. Быков Н.Ю., Федоров С.А., Захаров В.В. Outflow of a Gaseous Mixture with a Large Species Mass Ratio into Vacuum AIP Conference Proceedings (год публикации - 2023)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Разработан новый модуль расчета коэффициентов переноса, значительно ускоряющий вычисления. Реализованы коэффициенты термодиффузии и объемной вязкости. Верификация модуля путем сравнения с расчетами с использованием библиотеки KAPPA подтвердила корректность моделей. Оптимизированный модуль позволяет легко переходить к расчетам 11-компонентных смесей, существенно расширяя возможности программного комплекса. Реализованы граничные условия скольжения на основе зеркально-диффузной модели рассеяния. Условия включены в программный комплекс на основе численной схемы с использованием фиктивных ячеек. Предварительный анализ показал расхождение с результатами расчета методом ПСМ, что требует дополнительных тестов. Проведена дальнейшая валидация моделей колебательно-химической кинетики в условиях экспериментов за отраженными ударными волнами. Варьировались параметры моделей переходов колебательной энергии, диссоциации, обменных реакций. Учитывалась релаксация между падающей и отражённой ударными волнами. На основе анализа средних отклонений концентраций молекул от экспериментальных значений даны рекомендации по оптимальному выбору моделей. Обнаружено, что для смесей с начальным содержанием NO учет колебательного возбуждения NO важен, а в случае воздушной смеси он не оказывает заметного эффекта. Напротив, учет обменных реакций в воздухе необходим для корректного моделирования параметров течения. В целом закончена разработка кода Аксай-Каппа с многотемпературными моделями физико-химических процессов. Проведенные расчеты показали существенно более высокую вычислительную стоимость расчетов с использованием реализованных новых моделей в Аксай-Каппа, что объясняется более точными моделями состояния газа. Возможна оптимизация кода Аксай-Каппа путем анализа вкладов различных компонентов расчетной модели и комбинированного выбора физической модели в зависимости от режима обтекания. Модули расчета коэффициентов переноса и граничных условий скольжения могут быть перенесены в другие расчетные коды в рамках последующих работ. Закончена разработка и программная реализация базового метода решения кинетического уравнения для одно- и двухкомпонентного газа для трехмерных задач истечения в окружающее пространство. Реализован основной функционал использования подвижных сеток на числе ядер около 1000, возможно проведение расчетов для радиусов пятна испарения от 0.1 до 1 мм с числом монослоев до 1000. Получено значительное влияние значения относительной обратной толщины облака на параметры вычислений: большие значения требуют существенно более подробной сетки и на порядок больших затрат машинного времени. На основе прямого статистического моделирования и решения БГК уравнения получены достоверные данные об энергии и функции распределения частиц, прилетающих на времяпролетный детектор на нормали к поверхности испарения, для широкого диапазона параметров: числа испаренных монослоев и размера пятна испарения. На основе анализа функции распределения скоростей предложено объяснение эффекта немонотонного увеличения энергии частиц, прилетающих на времяпролетный детектор, при увеличении размера пятна испарения. Показано, что уменьшение энергии частиц свидетельствует не о замедлении облака продуктов абляции, а о появлении во времяпролетном распределении низкоскоростных молекул с периферии течения. Проведены расчеты методом DSMC испарения золота в вакуум и в фоновый кислород низкого давления (1 -100 Па) применительно к условиям экспериментов по осаждению тонких проводящих пленок золота. Показано хорошее согласие по доле частиц, долетающих до подложки осаждения. Разработана модификация многоуровневого алгоритма для расчета течений разреженного газа. На первом уровне средствами неявной многопоточности OpenMP проводится параллелизация по данным внутри каждого процесса, моделирующего частицы в своей подобласти и планируемого на отдельном узле. Разработан двухуровневый алгоритм, основанный на декомпозиции по расчетной области, представляющий собой гибридное использование технологии векторизации и параллельного программирования OpenMP в рамках общей памяти и технологии передачи сообщений в рамках распределённой памяти используемого кластера «Политехник – РСК Торнадо». Полученные результаты показывают, что в целом масштабирование одноуровневого алгоритма с параллелизацией по пространству в абсолютных значениях времени работы проводится лучше, чем масштабирование двухуровневого алгоритма, для рассмотренного диапазона вычислительных ресурсов. Предполагается, что при существенном увеличении числа узлов (более 400) двухуровневый алгоритм окажется эффективнее. Предложена общая методика проведения расчетов с применением метода DSMC (ПСМ) и разработанных параллельных алгоритмов для решения задач динамики разреженного газа на кластере «Политехник – РСК Торнадо». Проведенные оценки показывают преимущество двухуровневых алгоритмов второго типа (использование только ДО) при большом числе узлов (более 400). Данная граница может быть уменьшена за счет корректной организации структуры массивов, хранящих информацию о частицах, с учетом особенности организации циклов в программе DSMC, и, соответственно, за счет повышения эффективности нижнего уровня, реализуемого средствами OpenMP.

Публикации

1. Кравченко Д.С., Кунова О.В., Кустова Е.В., Мельник М.Ю. Reflected shock waves in air components and their mixtures: Validation of theoretical models Acta Astronautica, Volume 218, Pages 47-58 (год публикации - 2024)
10.1016/j.actaastro.2024.02.011

2. Кравченко Д.С., Кунова О.В., Кустова Е.В., Мельник М.Ю. Effect of exchange reactions and NO vibrational excitation on shock-heated air component flows Chemical Physics Letters, Volume 847, paper 141331 (год публикации - 2024)
10.1016/j.cplett.2024.141331

3. Быков Н.Ю, Федоров С.А. A two-level parallelization algorithm for the direct simulation Monte Carlo method of problems of rarefied gas dynamics Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling (год публикации - 2024)

4. А.А. Морозов, В.А. Титарев Kinetic study of time-of-flight distributions during pulsed laser evaporation into vacuum Physics of Fluids, V. 36, N. 11, P. 116112 (год публикации - 2024)
doi.org/10.1063/5.0239243

Возможность практического использования результатов
Возможно внедрение кинетических моделей в отечественное ПО FlowVision (Тесис, Москва) и Логос (ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», Саров) на внебюджетной основе, что создаст технологический задел в расчетных импортозамещающих программах