Суперкомпьютерные технологии мониторинга и экологического проектирования состояния мелководных водоемов и морских систем с учетом разномасштабной турбулентности

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 22-71-00015

НазваниеСуперкомпьютерные технологии мониторинга и экологического проектирования состояния мелководных водоемов и морских систем с учетом разномасштабной турбулентности

Руководитель Проценко Софья Владимировна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный экономический университет (РИНХ)" , Ростовская обл

Конкурс №70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-217 - Математическое моделирование физических сред

Ключевые слова Математическая модель, пространственно-трехмерная модель гидродинамики, крупномасштабная турбулентность, опрокидывание волн, волны с экстремальными характеристиками, вихревая турбулентность, мелкомасштабная турбулентность, волновая турбулентность, высокопроизводительный параллельный алгоритм, декомпозиция расчетной области, методы усвоения данных

Код ГРНТИ27.35.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен созданию 3D моделей гидродинамики с уточненными механизмами турбулентного обмена применительно к мелководным водоемам и морским системам, которые могут быть использованы для прогноза развития и экологического проектирования прибрежных и мелководных систем в условиях изменяющихся климата, природных и техногенных воздействий. Отрицательное воздействие на здоровье человека и среду его обитания оказывает загрязнение воды, поскольку она является не только средой распространения вредных сбросов, но и непосредственным источником поступления загрязняющих веществ, содержащихся в сбросах промышленных предприятий и автотранспорта, в организм человека. В связи и с увеличением объемов производства пластика в среднем на 4-5% ежегодно, наблюдается почти экспоненциальный рост объемов отходов пластика, поступающих в водные экосистемы. Пластиковый мусор при деструкции за счет механического и биохимического воздействия превращается в частицы микропластика размером не более 5 мм, которые представляют особую опасность для живых организмов прибрежных и морских систем. Перемещаясь по пищевым цепям, частицы микропластика могут попасть в ЖКТ человека, а частицы размерами менее 0,1 мм ввиду их чрезвычайной подвижности также могут внедряться в органы дыхания человека, являясь причиной многих опасных заболеваний, в том числе, онкологических. Кроме того, прогноз развития прибрежных и мелководных систем в настоящее время необходим в связи с негативным воздействием на окружающую среду и здоровье человека, вследствие аварий и катастроф природного и техногенного характера. В связи с добычей углеводородного сырья близи крымского побережья, а также созданием терминалов, трубопроводов, мостов, прокладкой кабелей между материковой частью России и Крымским полуостровом возрастает потенциальная опасность техногенных катастроф. Моделирование этих процессов для прогнозного обеспечения устойчивого развития прибрежных районов требует, во-первых, высокой пространственной детализации, во-вторых, прогнозное моделирование приводит к необходимости расчетов многих сценариев при различных вариантах входных данных. Оценки требуемых вычислительных производительностей – 50 тфлопс и выше, объемов оперативной памяти от 20 Тбайт и более. При построении краткосрочных прогнозов изменения экологической обстановки в результате возникновения опасных явлений, включая прогноз переноса и трансформации частиц пластика, цветение вод и заморные явления, а также при построении долгосрочных прогнозов (явлений накопления в организмах фито-, зоопланктона и рыб токсичных и вредоносных субстанций, включая пластиковые частицы) возникает необходимость сокращения времени вычислений и повышения точности расчетов в областях сложной формы. Для численной реализации этих моделей на расчетных сетках, согласованных со сложной формой береговой линии, а также при использовании современных технологий дистанционного зондирования, в том числе, из космоса, возникает потребность применения подробных расчетных сеток. В этих условиях прогностические расчеты для прибрежных систем требуют использования сеток, содержащих от 10 в 7 степени до 10 в 11 степени узлов; число временных слоев может достигать 10 в 4 степени и более, если ориентироваться на ограничения вычислительной устойчивости и точности дискретных моделей. В ряде случаев, например, при выбросе опасных загрязнителей (нефтепродуктов, фенолов, хлорсодержащих веществ и пр.) прогностическое моделирование необходимо осуществлять как минимум на один–два порядка быстрее, чем протекают процессы распространения и воздействия на экосистему загрязнений. Сказанное приводит к необходимости создания высокоэффективных алгоритмов и программных средств, позволяющих с должной разрешающей способностью решать данных класс задач с одновременными обработкой и усвоением данных космического зондирования и ориентированных на супер-ЭВМ. Оценки требуемых вычислительных производительностей показывают, что требуются многопроцессорные системы с производительностью 50 ‒ 100 тфлопс и выше и объемами оперативной памяти ‒ 50 Тбайт и более. Настоящий проект направлен на разработку, исследование и параллельную численную реализацию пространственно-неоднородной трехмерной математической модели гидродинамики, предназначенной для прогноза развития и экологического проектирования прибрежных и мелководных систем, с учетом воздействия механизмов разномасштабного турбулентного перемешивания, что позволит обеспечить достоверность и своевременность прогнозов его воздействия. Проект направлен на разработку высокомасштабируемых параллельных алгоритмов и программ, позволяющих при возникновении условий, которые могут привести к опасным и катастрофическим событиям, проводить расчеты в ускоренном масштабе времени. Использование высокопроизводительных вычислительных систем предполагает разработку программного обеспечения, предназначенного для математического моделирования возможных сценариев развития прибрежных экосистем при возникновении в них опасных природных и техногенных явлений.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Проценко С. В. Моделирование турбулентного перемешивания в прибрежных системах с применением подхода LES на основе фильтрации натурных данных экспедиции Динамические системы и компьютерные науки: теория и приложения (DYSC 2022): материалы 4-й Международной конференции. Иркутск, 19–22 сентября 2022 г. / ФГБОУ ВО «ИГУ» [отв. ред. В. Г. Антоник]. – Иркутск: Издательство ИГУ, 2022, с. 168-171 (год публикации - 2022)
10.26516/978-5-9624-2075-2.2022.1-181

2. Сухинов А.И., Проценко С.В., Проценко Е.А. Фильтрация натурных данных для численного моделирования трехмерных турбулентных течений с применением подхода LES Bulletin of the South Ural State University Ser. Mathematics. Mechanics. Physics, vol. 14, no. 4, pp. 40–51 (год публикации - 2022)
10.14529/mmph220406

3. А.И. Сухинов, Е.А. Проценко, С.В. Проценко, 3D turbulent currents simulation in the coastal zone using the LES approach based on filtered ADCP data E3S Web of Conferences, 363, 02028 (год публикации - 2022)
10.1051/e3sconf/202236302028

4. Проценко С.В. Феноменологический подход к моделированию характеристик сложных турбулентных течений Scientific center LJournal, 2023, с. 11-14. (год публикации - 2023)
10.18411/npdrmuvrni-01-2023-03

5. А.И. Сухинов, С.В. Проценко, Е.А. Проценко Численное моделирование трехмерных турбулентных течений на основе математической модели волновых процессов Вычислительная механика сплошных сред, № 2. 2023 (год публикации - 2023)
10.7242/1999-6691/2023.16.2.13

6. Проценко С.В., Проценко Е.А., Харченко А.В. Сопоставление результатов численного моделирования процессов гидродинамики в мелководных водоемах на основе трехмерной модели и двумерной модели, усредненной по глубине Computational Mathematics and Information Technologies, 7(3):49–63 (год публикации - 2023)
10.23947/2587-8999-2023-7-3-49-63

7. А.И. Сухинов, С.В. Проценко, Е.А. Проценко MODELING EFFECTS OF 3D TURBULENT CURRENTS WITH REGULAR WAVES USING THE LES APPROACH BASED ON FILTERED ADCP DATA Воронеж : Издательство «Научно-исследовательские публикации», c. 249-255 (год публикации - 2023)

8. А.И. Сухинов , Е.А. Проценко, С.В. Проценко Mathematical modeling of large-scale turbulent structures in coastal systems based on the LES approach Springer Nature (год публикации - 2024)

9. Проценко С.В. Моделирование турбулентных потоков вблизи берегозащитных сооружений с использованием различных моделей турбулентности Computational Mathematics and Information Technologies, Т. 8, № 1, с. 55-62 (год публикации - 2024)
10.23947/2587-8999-2024-8-1-55-62

10. Проценко С.В. Statistical models of wave hydrodynamics Воронеж : Издательство «Научно-исследовательские публикации», С. 305-308 (год публикации - 2024)

11. Проценко С.В. Parallel Implementation of 3D Model of Wave Hydrodynamics and its Verification IEEE, pp. 1-5 (год публикации - 2023)
10.1109/AMCSM59829.2023.10526055

12. Проценко С.В. Forecasting the development dynamics of coastal systems utilizing remote sensing data E3S Web of Conf., Volume 549, 2024 (год публикации - 2024)
10.1051/e3sconf/202454907006

13. Сухинов А.И., Проценко Е.А., Проценко С.В. Mathematical Modeling of Large-Scale Turbulent Structures in Coastal Systems Based on the LES Approach Springer Nature Switzerland AG 2024, CPAMCS 2023, LNNS 1044, pp. 514–525, 2024. (год публикации - 2024)

14. Ккк (год публикации - )

15. Проценко С. В. 3D modeling of turbulent flows using LES and RANS approaches based on filtered expedition data Computational mathematics and information technologies, Vol. 1. № 2, 2022. pp. 60-68. (год публикации - 2022)
10.23947/2587-8999-2022-1-2-61-69

Публикации

11. Проценко С.В. Parallel Implementation of 3D Model of Wave Hydrodynamics and its Verification IEEE, pp. 1-5 (год публикации - 2023)
10.1109/AMCSM59829.2023.10526055

14. Ккк (год публикации - )