Математическое моделирование разномасштабной турбулентности в мелководных водоемах при наличии пространственно-трехмерных волновых процессов

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 23-21-00210

НазваниеМатематическое моделирование разномасштабной турбулентности в мелководных водоемах при наличии пространственно-трехмерных волновых процессов

Руководитель Проценко Елена Анатольевна, Кандидат физико-математических наук

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

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-218 - Математическое моделирование физических явлений

Ключевые слова Математическая модель, волновая гидродинамика, коэффициент вертикального турбулентного обмена, пространственно-трехмерная модель гидродинамики, полуэмпирическая теория турбулентности, крупномасштабная турбулентность, опрокидывание волн, волна с экстремальными характеристиками, вихревая турбулентность, мелкомасштабная турбулентность, волновая турбулентность, высокопроизводительный параллельный алгоритм, декомпозиция расчетной области

Код ГРНТИ27.35.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Опасность нежелательных последствий изменения водной среды возрастает ежегодно, поэтому в настоящее время существует необходимость проведения прогностического моделирования развития прибрежных и мелководных систем. Современное состояние развивающихся методов численного моделирования гидродинамических процессов не позволяет, в ряде случаев, обеспечить приемлемый уровень их описания даже при использовании наиболее современных моделей и суперкомпьютерных мощностей. Это связано с чрезвычайной сложностью, многомасштабностью и многообразием физических процессов, протекающих в морских системах. В связи с этим, одним из основных направлений повышения эффективности исследований, связанных с изучение динамики развития прибрежных и мелководных систем, с помощью математического моделирования, является разработка и развитие технологий проведения модельных и натурных исследований с учетом масштабного эффекта. Кроме того, необходима разработка технологий полномасштабного сбора и учета, многофакторного, многокритериального анализа состояния прибрежных и мелководных систем с использованием значительных вычислительных мощностей в режиме реального времени, а также формирование многофункциональной информационной платформы обработки неопределенно структурированных «больших данных» для модернизации и повышения эффективности прогностического моделирования. Данная система позволит производить масштабный анализ показателей количественной и качественной характеристик состояния морских систем, создания скользящих вероятностных прогнозов развития, выработки региональных концепций стратегического управления. Настоящий проект направлен на разработку, исследование и параллельную численную реализацию математической модели гидродинамики, с учетом воздействия механизмов разномасштабного турбулентного перемешивания, что позволит обеспечить достоверность и своевременность прогнозов его воздействия. В настоящее время активно проявляются тенденции соединения современного математического аппарата и вычислительных технологий для решения практических проблем в различных областях взаимодействия человека и природы в условиях природных и техногенных воздействий. Одна из важнейших задач - объединение всех этих факторов в единый вычислительный процесс на базе крупномасштабного физического моделирования. Вычислительные технологии на базе современных математических методов становятся базовым инструментарием при разработке принципиально новых технологий и технических систем, при этом математическое моделирование в настоящее время является неотъемлемой частью уникальных физических экспериментов и прогнозирования. С другой стороны, развитие методов математического описания должно, безусловно, сопровождаться широким набором верификационных экспериментов. Результатом этого эволюционного процесса могут являться разработанные научно обоснованные методы расчета основных технологических и конструктивных параметров при проектировании надежных и высокопроизводительных технологических аппаратов для прогноза развития прибрежных и мелководных систем. Несмотря на значительное число как экспериментальных, так и теоретических работ, направленных на изучение специфических динамических процессов береговой зоны, эффективность предлагаемых подходов далека от практически необходимой. К трудностям исследований относят узкую сферу применения моделей, построенных на основе лабораторных исследований, сложность проведения экспериментов в условиях реального моря и, как следствие, ограниченность данных натурных измерений. Таким образом, задача построения и исследования пространственно-трехмерной модели волновой гидродинамики, предназначенной для моделирования гидродинамических процессов при наличии разномасштабного турбулентного обмена, основанной на согласовании аналитических, численных, экспериментальных подходов и сравнений с использованием натурных данных, является актуальной.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Проценко Е.А. Development and research of turbulent exchange semi-empirical models for vortex resolution methods using expedition data Springer Nature (год публикации - 2024)

2. Проценко Е.А., Панасенко Н.Д., Стражко А.В. Моделирование пространственно-трехмерных волновых процессов в мелководных водоемах с учетом особенностей вертикального турбулентного обмена. Computational Mathematics and Information Technologies, 2023. Т. 6, No 1. С. 34–40 (год публикации - 2023)
10.23947/2587-8999-2023-6-1-34-40

3. Проценко Е.А., Сухинов А.И., Проценко С.В. Parallel Numerical Implementation of Three-Dimensional Mathematical Models of Hydrodynamics Taking into Account Vertical Turbulent Exchange Springer, Cham, volume 1868, pp. 259–268 (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-38864-4_18

4. Проценко Е.А., Сухинов А.И., Проценко С.В. Predictive modeling of wave hydrodynamics and relief formation in the presence of multi-scale turbulent exchange E3S Web of Conferences, 376, 01082 (2023) (год публикации - 2023)
10.1051/e3sconf/202337601082

5. Головченко М.М. Вертикальная структура процессов турбулентного перемешивания в водоемах Перспектива–2023. Москва: ИКЦ «ЭКСПЕРТ»., Т. 3, c. 270-273 (год публикации - 2023)

6. Сухинов А. И., Проценко Е.А., Проценко С.В., Панасенко Н.Д. Параллельная численная реализация моделей волновой гидродинамики с учетом особенностей вертикального турбулентного обмена на основе данных космического зондирования МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, 35:12 (2023), 51–68 (год публикации - 2023)
10.20948/mm-2023-12-04

7. Панасенко Н.Д. Мониторинг спутниковых изображений для идентификации объектов на водной поверхности Издательско-полиграфический центр ИП Беспамятнов С.В., Новые идеи: материалы Внутревузовской научно-практической конференции ДГТУ, 2023. – С. 103-104. (год публикации - 2023)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе реализации проекта разработаны и исследованы полуэмпирические модели турбулентного обмена. Проведена адаптация полуэмпирических подсеточных моделей турбулентного обмена к ожидаемым сценариям изменения природно-климатических условий и географическим особенностям Азовского моря на базе эмпирических данных дистанционного зондирования и экспедиционных исследований. Построен оптимальный алгоритм расчета параметров гидродинамического воздействия волн на различные участки дна мелководного водоема, с учетом коэффициентов вертикального турбулентного обмена для зон с динамически изменяющимися характеристиками природно-климатических условий. [Protsenko, E. (2024). Development and Research of Turbulent Exchange Semi-empirical Models for Vortex Resolution Methods Using Expedition Data. Lecture Notes in Networks and Systems, vol 1044. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-64010-0_49]. Изучено влияние линеаризованного и квадратичного донного трения и двух моделей турбулентности на численное решение стационарных и нестационарных периодических течений. Получены результаты моделирования стационарных и нестационарных периодических течений с использованием линеаризованного донного трения. Исследовано влияние линеаризации на численное решение в сравнении с аналитическими профилями, использующими модели, рассчитывающие донное трение в квадратичной формулировке [Protsenko E.A., Protsenko S.V. Stationary and Non-Stationary Periodic Flows Mathematical Modelling using Various Vortex Viscosity Models. Computational Mathematics and Information Technologies. 2023;7(4):30-38. https://doi.org/10.23947/2587-8999-2023-7-4-30-38]. Построен комплекс программ для моделирования гидродинамических волновых процессов в прибрежной зоне, с учетом изменяющихся входных гидрофизических параметров, влияющих на движение волн, переформирование рельефа дна, позволивший оценить воздействие волн на берег и объекты прибрежной инфраструктуры. Разработаны параллельные алгоритмы для реализации трехмерной модели волновой гидродинамики с помощью технологии MPI. Оценена масштабируемость предлагаемых алгоритмов и вычислены показатели эффективности параллельных вычислений. Численные эксперименты проведены с использованием в качестве входных данных спутниковых снимков Азовского моря [A. I. Sukhinov, E. A. Protsenko, S. V. Protsenko, N.D. Panasenko. Wind Wave Dynamics’ Analysis Based on 3D Wave Hydrodynamics and SWAN Models Using Remote Sensing Data // Lecture Notes in Networks and Systems, vol 733. Springer, Cham, pp 399–406 (2024) https://doi.org/10.1007/978-3-031-37978-9_39]. Модель WAVEWATCH III оптимизирована для трехмерного моделирования волновых процессов в Азовском море. На основе спектральной модели WW3 осуществлен прогноз параметров ветрового волнения в Азовском море. Построены прогностические карты среднего периода, средней длины и высот преобладающих волн в различные моменты времени. Осуществлена оптимизация вычислительных ресурсов через гибридную параллелизацию с использованием MPI и OpenMP [Сухинов А.И., Проценко Е.А., Проценко С.В. Численное моделирование гидродинамических волновых процессов в Азовском море на основе ветро-волновой модели WAVEWATCH III // Вычислительная механика сплошных сред. Вычислительная механика сплошных сред. – 2024]. Проведено исследование резких изменений уровня воды в Азовском море, вызванных экстремальными ветровыми условиями. Использование LBP в сочетании с нейронными сетями позволило автоматизировать процесс обработки массивов данных, полученных с помощью дистанционного зондирования, и интеграцию этих данных в математические модели, существенно повысило точность прогнозирования. [Protsenko E.A., Panasenko N.D., Protsenko S.V. Mathematical Modelling of Catastrophic Surge and Seiche Events in the Azov Sea Using Remote Sensing Data. Computational Mathematics and Information Technologies. 2024;8(2):33-44. https://doi.org/10.23947/2587-8999-2024-8-2-33-44]. Осуществлена параллельная реализация алгоритма, основанного на декомпозиции вычислительной области в двух пространственных направлениях с использованием MPI и проведена серия экспериментов на многопроцессорной вычислительной системе. Для модели SWAN была определена масштабируемость алгоритма с использованием двух стратегий распараллеливания [A. I. Sukhinov, E. A. Protsenko, S. V. Protsenko, N.D. Panasenko. Parallel Numerical Implementation of Mathematical Wave Hydrodynamics Models Taking Into Account the Features of the Vertical Turbulent Exchange Using Remote Sensing Data // Mathematical Models and Computer Simulations, 2024, Vol. 16, No. 2, pp. 267–279. DOI: 10.1134/S2070048224020170]. В рамках тематики гранта была организована и проведена Всероссийская научно-практическая конференция «Математическое моделирование сложноформализуемых систем» на факультете физики, математики, информатики Таганрогского института имени А.П. Чехова (филиала) РГЭУ (РИНХ) [https://sites.google.com/view/matmod2024/].

Публикации

1. Сухинов А.И., Проценко Е.А., Проценко С.В., Панасенко Н.Д. Parallel Numerical Implementation of Mathematical Wave Hydrodynamics Models Taking into Account the Features of the Vertical Turbulent Exchange Using Remote Sensing Data Mathematical Models and Computer Simulations, Vol. 35, No. 12, pp. 51–68 (год публикации - 2024)
10.1134/S2070048224020170

2. Проценко Е.А., Проценко С.В. Математическое моделирование стационарных и нестационарных периодических течений с использованием различных моделей вихревой вязкости Computational Mathematics and Information Technologies, Том 7, № 4, с. 30–38 (год публикации - 2023)
10.23947/2587-8999-2023-7-4-30-38

3. Проценко Е.А., Сухинов А.И., Проценко С.В. Численное моделирование гидродинамических волновых процессов в Азовском море на основе ветроволновой модели WAVEWATCH III Вычислительная механика сплошных сред, Том 17, № 4 (год публикации - 2024)

4. Сухинов А.И., Проценко Е.А., Проценко С.В., Панасенко Н.Д. Wind Wave Dynamics’ Analysis Based on 3D Wave Hydrodynamics and SWAN Models Using Remote Sensing Data Lecture Notes in Networks and Systems, Vol. 733, pp 399 - 406 (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-37978-9_39

5. Проценко Е.А., Проценко С.В., Харченко А.В. Parameterization of vertical turbulent mixing processes used in hydrodynamic packages Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики : сборник трудов Международной научной конференции, Воронеж, 4–6 декабря 2023 г. – Воронеж : Издательство «Научно-исследовательские публикации», 2024., c. 297-304 (год публикации - 2024)

6. Проценко Е.А., Панасенко Н.Д., Проценко С.В. Математическое моделирование катастрофических сгонно-нагонных явлений Азовского моря с использованием данных дистанционного зондирования Computational Mathematics and Information Technologies, Том 8, № 2, с. 33-44 (год публикации - 2024)
10.23947/2587-8999-2024-8-2-33-44

7. Проценко Е.А. Development and Research of Turbulent Exchange Semi-empirical Models for Vortex Resolution Methods Using Expedition Data Lecture Notes in Networks and Systems, Vol. 1044, pp. 526–535 (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-64010-0_49

Возможность практического использования результатов
Проект имеет значительный потенциал его практического использования в экономике и социальной сфере. Возможности практического использования результатов проекта для развития гидротехнической инфраструктуры включают оптимизацию проектирования и эксплуатации гидротехнических сооружений. Результаты исследования могут быть использованы для проектирования дамб, каналов, волнорезов, портов и плотин с учетом турбулентных процессов, что увеличит их устойчивость к экстремальным волновым нагрузкам. В области экологического контроля на основе результатов проекта можно осуществлять мониторинг и предотвращение загрязнений, использовать разработанные модели для оценки распространения загрязняющих веществ в мелководных водоемах. Возможности практического использования результатов проекта в социальной сфере включают предупреждение природных и техногенных катастроф. Прогнозирование экстремальных волновых процессов направлено на предотвращение аварийных ситуаций на объектах инфраструктуры. Анализ гидродинамических процессов в прибрежных зонах позволит обеспечить безопасное использование пляжных территорий и создать безопасную среду для рекреации. В области образования и подготовки кадров возможно включение разработанных моделей в образовательные программы для подготовки специалистов в области гидродинамики, климатологии и экологии. Таким образом, потенциал проекта для экономического роста и социального развития состоит в возможности снижения рисков разрушения инфраструктуры, оптимизации затрат на строительство и эксплуатацию гидротехнических сооружений, повышении безопасности населения в прибрежных зонах, интеграции результатов проекта в стратегию социально-экономического развития региона.