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 19-11-00299

НазваниеСверхмасштабируемые параллельные алгоритмы и гетерогенные вычисления для вихреразрешающего моделирования задач гидродинамики, аэродинамики и аэроакустики

Руководитель Горобец Андрей Владимирович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша Российской академии наук" , г Москва

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова Вычислительная газовая и гидродинамика, вычислительная аэродинамика, вихреразрешающее моделирование, гетерогенные вычисления, экстрамассивный параллелизм, гибридный суперкомпьютер, неструктурированные сетки, схемы повышенной точности, переносимая программная реализация

Код ГРНТИ27.41.00

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Суперкомпьютерное моделирование стало незаменимым инструментом при решении научных и инженерно-конструкторских задач в различных высокотехнологичных отраслях промышленности, таких как авиастроение и авиационное двигателестроение, космическая промышленность, возобновляемая и атомная энергетика, автомобилестроение, судостроение. Вихреразрешающее моделирование турбулентных течений, актуальное в задачах аэродинамики, аэроакустики, гидродинамики, тепломассопереноса, является одним из наиболее сложных и ресурсоёмких типов вычислительного эксперимента. Такие расчеты позволяют получать важные для инженерных разработок нестационарные аэродинамические и аэроакустические характеристики (диаграммы направленности и спектральный состав шума, интенсивность вибрационных и акустических нагрузок, эволюцию во времени локальных физических величин и интегральных характеристик – подъемной силы, сопротивления и т.д.), а также более корректно по сравнению со стационарными расчетами определять стационарные характеристики (осредненные поля, статистику течения и интегральные характеристики). Под стационарными понимаются расчеты в стационарной постановке, например, на основе подхода RANS (Reynolds-Averaged Navier–Stokes – осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье–Стокса). Несмотря на очевидные преимущества, из-за высокой вычислительной стоимости вихреразрешающие расчеты имеют ограниченное применение на практике. В то же время потенциал применимости таких расчетов растет благодаря двум основным факторам: прогрессу в области численных методов и прогрессу в области вычислительной техники. К первому фактору можно отнести создание экономичных численных схем повышенной точности для неструктурированных сеток и улучшение вихреразрешающих методов моделирования турбулентности. Развитие таких методов, как LES (Large Eddy Simulation – моделирование крупных вихрей), на протяжении многих лет было нацелено на снижение ресурсоемкости. Тем не менее, LES по-прежнему остается слишком дорогим для инженерных приложений. Появление гибридных RANS-LES методов, сочетающие экономичность RANS в зонах погранслоя с возможностями LES в зонах отрывного течения, вплотную приблизили возможность широкой промышленной применимости. Однако сейчас эти методы уже достигли такого высокого уровня развития, что потенциал их улучшения почти исчерпан. По мнению многих известных экспертов в области моделирования турбулентных течений, дальнейшее развитие будет происходить не за счет улучшения отдельных моделей и методов, а за счет повышения технологичности их использования и эффективности параллельных алгоритмов и расчетных кодов. Второй фактор, связанный с ростом производительности вычислительных систем, все больше расширяет возможности для вихреразрешающего моделирования. Но если раньше этот рост происходил в основном за счёт увеличения числа процессоров, то теперь рост сопряжен существенным усложнением вычислительных архитектур и программных моделей. Появление гибридных архитектур, в которых центральные процессоры (CPU) дополняются массивно-параллельными сопроцессорами, позволило многократно увеличить производительность суперкомпьютеров. При этом значительно возросла и сложность использования таких систем. Требуется применение гетерогенных алгоритмов, т.е. алгоритмов, которые могут одновременно задействовать устройства принципиально различной архитектуры. Необходимо многоуровневое распараллеливание, сочетающее различные виды параллелизма, в числе которых такая ограниченная парадигма параллельных вычислений, как потоковая обработка. Это делает создание средств моделирования, в полной мере использующих возможности современных суперкомпьютеров, крайне сложной и актуальной научной проблемой. Данный проект направлен на разработку гетерогенных параллельных алгоритмов и программных реализаций для наиболее эффективных современных численных схем, математических моделей и подходов для вихреразрешающего моделирования турбулентных течений. Применение гетерогенных вычислений позволит многократно повысить производительность. Одним из наиболее перспективных подходов с точки зрения промышленных приложений является вихреразрешающее моделирование на гибридных неструктурированных сетках, позволяющих работать с геометрически сложными объектами. Из численных схем в проекте в первую очередь будут рассмотрены экономичные реберно-ориентированные схемы повышенной точности. Идея таких схем появилась достаточно давно, но необходимого уровня развития они достигли всего несколько лет назад, когда участниками данного проекта были созданы новые варианты схем для гибридных неструктурированных сеток. С этого момента данные схемы начали активно применяться в авиационно-космических приложениях. Для этих схем еще не существует гетерогенных алгоритмов и реализаций. Будут рассмотрены гибридные RANS-LES методы, среди которых наиболее развитыми и популярными являются методы DES (Detached Eddy Simulation – моделирование отсоединенных вихрей). Будут созданы гетерогенные алгоритмы для самых современных вариантов DES. Развитие сеточных технологий, позволяющих оптимальным образом распределять пространственное разрешение вокруг геометрически сложных объектов, также является важным фактором для расширения применимости вихреразрешающего моделирования. В проекте также будут рассмотрены методы динамической адаптации сеток. В результате будут созданы сверхмасштабируемые гетерогенные алгоритмы и суперкомпьютерное программное обеспечение для вихреразрешающего моделирования турбулентных течений, применимое в промышленно-ориентированных приложениях. Под сверхмасштабируемостью понимается, что все ресурсоемкие операции алгоритма полностью совместимы со всеми уровнями параллельной модели и не имеют ограничений по числу вычислительных устройств. Потенциал практической применимости будет многократно расширен за счет достижения более высокой производительности на гибридных суперкомпьютерах. Среди участников проекта разработчики экономичных реберно-ориентированных схем повышенной точности, параллельных алгоритмов, масштабируемых до десятков тысяч процессорных ядер, технологий крупномасштабных суперкомпьютерных расчетов. Мотивацией для данной работы послужил опыт участников проекта в области вихреразрешающих расчетов в авиационно-космических приложениях. Выполненные в недавнее время расчеты аэродинамических и акустических характеристик крыла самолета с механизацией, несущего винта вертолета, ракеты космического назначения на участке выведения показали высокое качество численного результата. За счет улучшений численной схемы и технологии расчета удалось многократно снизить вычислительную стоимость, однако она все еще слишком высока для серийных расчетов с использованием только CPU. Для широкой практической применимости, например, в задачах конструкторской оптимизации, нужно повысить производительность еще в несколько раз. Данный проект должен заполнить этот пробел и полностью раскрыть потенциал современных средств суперкомпьютерного моделирования задач газо- и гидродинамики.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---