Файл: треугольного крыла с затупленными передними кромками.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 21.10.2020
Просмотров: 229
Скачиваний: 1
Третий
ежегодный
конкурс
по
применению
высокопроизводительных
вычислений
«
Невозможное
стало
возможным
:
реальные
приложения
для
HPC»
А
.
В
.
Ваганов
,
М
.
А
.
Стародубцев
,
В
.
И
.
Шалаев
"
Моделирование
особенностей
обтекания
наветренной
стороны
треугольного
крыла
с
затупленными
передними
кромками
на
основе
численного
решения
уравнений
Навье
-
Стокса
"
Рис
.7
Поле
энтропии
потока
(
верхняя
часть
)
и
тепловые
потоки
вдоль
наветренной
поверхности
крыла
(
нижняя
часть
).
Ударные
волны
сформированные
перед
сферическим
и
цилиндрическим
затуплениями
отличаются
между
собой
как
по
своей
интенсивности
,
так
и
по
удаленности
от
поверхности
тела
.
Сопряжение
указанных
скачков
уплотнения
приводит
к
появлению
"
пологого
"
фронта
волны
.
Струйки
тока
,
проходящие
через
данный
фронт
волны
имеют
пониженное
значение
энтропии
(
рис
. 7)
и
,
следовательно
,
обладают
большой
кинетической
энергией
.
Попадание
низкоэнтропийного
газа
на
цилиндрическую
поверхность
кромки
крыла
приводит
к
росту
градиентов
давления
,
который
и
вызывает
рост
тепловых
потоков
на
крыле
.
Другим
важным
следствием
проникновения
низкоэнтальпийной
струйки
в
ударный
слой
является
формирование
вторичной
вихревой
структуры
на
расстоянии
~ 40
мм
от
плоскости
симметрии
.
В
самом
деле
,
наличие
высокоэнтрапийных
медленных
струек
тока
за
сферическое
головной
волной
в
окружении
более
быстрого
потока
приводит
к
образованию
вихревой
структуры
течения
,
которая
стабилизируется
вблизи
плоскости
симметрии
модели
(
один
из
вихрей
структуры
показан
в
левой
части
рисунка
8).
Аналогичная
ситуация
наблюдается
и
в
зоне
,
где
низкоэнтропийные
быстрые
струйки
тока
оказываются
в
окружении
более
медленных
.
Как
и
в
случае
с
высокоэнтрапийными
струйками
,
там
,
где
проходит
низкоэнтропийный
газ
образуются
новые
вихревые
структуры
(
два
вихря
в
правой
части
рисунка
8).
Третий
ежегодный
конкурс
по
применению
высокопроизводительных
вычислений
«
Невозможное
стало
возможным
:
реальные
приложения
для
HPC»
А
.
В
.
Ваганов
,
М
.
А
.
Стародубцев
,
В
.
И
.
Шалаев
"
Моделирование
особенностей
обтекания
наветренной
стороны
треугольного
крыла
с
затупленными
передними
кромками
на
основе
численного
решения
уравнений
Навье
-
Стокса
"
Рис
.8
Поле
энтропии
потока
(
нижняя
часть
рисунка
)
и
тепловые
потоки
вдоль
наветренной
поверхности
крыла
(
верхняя
часть
рисунка
).
Выделим
теперь
линии
растекания
поперечного
вихревого
движения
и
нанесем
их
координаты
на
поверхности
крыла
.
Полученные
таким
образом
точки
точно
ложатся
на
полученные
в
трубном
эксперименте
зоны
повышенных
тепловых
потоков
(
рис
. 3).
Отметим
,
лишь
,
что
линии
растекания
были
получены
только
для
ламинарного
режима
течения
.
При
учете
эффектов
турбулентности
вихревое
движение
в
зоне
низкоэнтропийной
струйки
в
численном
эксперименте
не
наблюдаются
.
По
-
видимому
,
эффективная
вязкость
турбулентного
потока
не
дает
развиться
слабым
завихрениям
потока
,
быстро
поглощая
низкоэнтропиную
трубку
тока
.
Как
следствие
,
в
"
расчетном
"
потоке
не
успевает
сформироваться
вторичное
вихревое
движение
.
В
работе
численно
смоделирован
ряд
режимов
гиперзвукового
обтекания
модели
состоящей
из
треугольного
крыла
с
конусным
телом
на
подветренной
поверхности
.
Рассмотрены
как
ламинарные
,
так
и
турбулентные
режимы
обтекания
.
Продемонстрировано
образование
высоко
-
и
низкоэнтропийных
струй
,
наличие
которых
приводит
к
образованию
вихревых
структур
за
ударной
волной
.
В
случае
ламинарного
режима
обтекания
численный
эксперимент
правильно
предсказывает
положение
вторичного
пика
теплового
потока
,
но
величина
последнего
сильно
занижена
по
отношению
к
трубному
эксперименту
.
Турбулентный
режим
,
наоборот
,
правильно
предсказывает
величину
пика
теплопередачи
,
но
не
описывает
развитие
вторичной
вихревой
структуре
,
и
как
следствие
,
не
дает
вторичный
пик
теплопередачи
.
Учет
ламинарно
-
турбулентного
перехода
позволил
бы
провести
более
корректное
сравнение
расчетных
и
экспериментальных
данных
,
но
имеющийся
в
программе
расчета
механизм
не
включает
в
себя
влияние
поперечного
Третий
ежегодный
конкурс
по
применению
высокопроизводительных
вычислений
«
Невозможное
стало
возможным
:
реальные
приложения
для
HPC»
А
.
В
.
Ваганов
,
М
.
А
.
Стародубцев
,
В
.
И
.
Шалаев
"
Моделирование
особенностей
обтекания
наветренной
стороны
треугольного
крыла
с
затупленными
передними
кромками
на
основе
численного
решения
уравнений
Навье
-
Стокса
"
перетекания
(cross-flow)
и
потому
не
дает
полного
описания
пространственного
течения
.
Требование
к
вычислительным
ресурсам
при
её
решении
в
настоящее
время
Гиперзвуковое
обтекание
летательных
аппаратов
сопровождается
большим
количеством
физических
явлений
:
образование
ударных
волн
,
химический
распад
газа
и
химическое
взаимодействие
с
поверхность
обтекаемого
аппарата
,
ионизация
,
излучение
и
переизлучение
.
Все
выше
перечисленные
эффекты
в
той
или
иной
степени
создают
тепловые
нагрузки
,
но
учет
всех
механизмов
теплопередачи
в
одной
расчетной
модели
представляется
,
в
настоящее
время
,
крайне
затруднительным
.
Но
,
даже
не
прибегая
к
созданию
одной
универсальной
физической
модели
,
моделирование
пространственного
гиперзвукового
обтекания
простых
тел
вызывает
большие
сложности
.
В
данной
работе
потребовалось
создать
сетку
на
50
млн
.
узлов
,
для
того
чтобы
разрешить
небольшие
вихревые
структуры
за
ударной
волной
.
При
меньших
сетках
указанные
вихри
отсутствуют
и
физический
эффект
приводящий
к
появлению
локальных
пиков
теплопередачи
полностью
исчезает
.
В
свою
очередь
,
использование
сеточной
модели
на
50
млн
.
требует
100
ГБ
оперативной
памяти
,
а
для
расчета
одного
режима
в
приемлемые
сроки
(1
неделя
)
необходим
расчетный
ресурс
в
1
ТФлопп
.
Кроме
того
,
в
работы
выполнен
расчет
на
сеточной
модели
100
млн
.
узлов
,
что
потребовало
наличия
200
ГБ
оперативной
памяти
и
две
недели
астрономического
времени
.
Суть
предлагаемого
проекта
-
что
сделано
в
результате
проекта
В
работе
численно
смоделировано
гиперзвуковое
обтекания
схематизированной
модели
высокоскоростного
летательного
аппарата
,
состоящей
из
треугольного
крыла
и
конуса
.
Рассмотрены
как
ламинарные
,
так
и
турбулентные
режимы
обтекания
.
Продемонстрировано
образование
высоко
-
и
низкоэнтропийных
струй
,
наличие
которых
приводит
к
образованию
вторичной
вихревой
структуры
за
ударной
волной
.
В
случае
ламинарного
режима
обтекания
численный
эксперимент
правильно
предсказывает
положение
вторичного
пика
теплового
потока
,
но
величина
последнего
сильно
занижена
по
отношению
к
трубному
эксперименту
.
Турбулентный
режим
,
наоборот
,
правильно
предсказывает
величину
пика
теплопередачи
,
но
не
описывает
развитие
вторичной
вихревой
структуре
,
и
как
следствие
,
не
дает
вторичный
пик
теплопередачи
.
Сравнение
с
имеющимися
подходами
и
преимущества
Человечество
использует
гиперзвуковые
аппараты
(
спускаемые
аппараты
)
более
полувека
,
с
того
момента
когда
началось
освоения
космоса
.
Третий
ежегодный
конкурс
по
применению
высокопроизводительных
вычислений
«
Невозможное
стало
возможным
:
реальные
приложения
для
HPC»
А
.
В
.
Ваганов
,
М
.
А
.
Стародубцев
,
В
.
И
.
Шалаев
"
Моделирование
особенностей
обтекания
наветренной
стороны
треугольного
крыла
с
затупленными
передними
кромками
на
основе
численного
решения
уравнений
Навье
-
Стокса
"
Соответственно
,
и
методики
расчета
тепловых
нагрузок
имеют
длительную
историю
.
Как
правило
,
используется
обширная
экспериментальная
база
данных
наряду
с
эмпирическими
закономерностями
.
Полученные
по
ним
данные
широко
используются
при
проектировании
новых
летательных
аппаратов
и
дают
надежные
и
важные
для
практики
результаты
.
Тем
не
менее
,
объяснить
тот
или
иной
эффект
они
не
способны
,
так
как
не
могут
учесть
все
особенности
пространственного
течения
(
пересечение
ударных
волн
,
интерференция
скачков
уплотнения
и
пограничного
слоя
).
Кроме
того
,
гиперзвуковой
эксперимент
-
это
достаточно
дорогое
мероприятие
,
на
которое
уходит
,
к
тому
же
,
много
времени
.
Потому
в
качестве
альтернативы
к
анализу
гиперзвуковых
течений
все
чаще
привлекают
численный
эксперимент
,
что
в
конечном
итоге
позволяет
по
новому
взглянуть
на
закономерности
формирования
пространственной
структуры
течения
,
использовать
полученные
данные
для
изменения
формы
модели
и
,
тем
самым
,
снизить
общее
количество
экспериментальных
испытаний
.
Среди
численных
методик
в
качестве
альтернативы
уравнениям
Навье
-
Стокса
,
часто
рассматривают
менее
затратное
по
вычислительным
ресурсам
моделирование
уравнений
Эйлера
,
где
газ
полагается
не
вязким
.
Такой
подход
также
дает
возможность
рассмотреть
пространственную
структуру
течений
,
но
,
в
отличии
от
моделирования
на
базе
уравнений
Навье
-
Стокса
,
не
позволяет
определить
тепловые
потоки
на
поверхности
крыла
.
Кроме
того
,
из
-
за
отсутствия
вязкости
в
области
за
ударным
слоем
возникают
особые
линии
,
где
скорость
и
завихренность
принимают
значения
,
которые
в
реальности
не
наблюдаются
.
Обоснование
необходимости
эффективности
применения
суперкомпьютеров
для
расчетов
в
предлагаемых
для
конкурса
проектах
Современный
уровень
аэродинамических
исследований
требует
широкого
применения
как
трубных
,
так
и
численных
экспериментов
.
Появление
новых
измерительных
комплексов
и
создание
низко
-
шумящих
аэродинамических
труб
приводит
к
повышению
точности
экспериментальных
исследований
.
В
области
расчетной
аэродинамики
также
можно
указать
два
основных
направления
,
по
которым
идет
процесс
повышения
точности
предсказания
аэродинамических
характеристик
,
как
для
натурных
аппаратов
,
так
и
для
трубных
моделей
.
К
первому
направлению
относится
разработка
новых
и
усовершенствование
существующих
моделей
турбулентности
в
пристеночной
области
и
в
свободном
потоке
.
Второе
направление
–
повышение
качества
расчетных
сеток
.
Последнее
требует
использования
больших
вычислительных
комплексов
таких
как
высокопроизводительные
рабочие
станции
и
многоузловые
кластера
.
В
данной
работе
показано
,
что
при
гиперзвуковом
обтекании
треугольного
крыла
,
для
разрешения
вторичной
вихревой
структуры
за
ударной
волной
на
наветренной
поверхности
необходима
сеточная
модель
более
50
млн
.
узлов
.
Третий
ежегодный
конкурс
по
применению
высокопроизводительных
вычислений
«
Невозможное
стало
возможным
:
реальные
приложения
для
HPC»
А
.
В
.
Ваганов
,
М
.
А
.
Стародубцев
,
В
.
И
.
Шалаев
"
Моделирование
особенностей
обтекания
наветренной
стороны
треугольного
крыла
с
затупленными
передними
кромками
на
основе
численного
решения
уравнений
Навье
-
Стокса
"
Меньшие
модели
не
способны
разрешить
образование
тонких
вихревых
структур
-
что
приводит
к
неверной
интерпретации
результатов
трубного
эксперимента
.
Описание
методов
,
с
помощью
которых
достигается
эта
эффективность
Анализ
рассматриваемых
течений
строится
на
решении
полные
уравнения
Навье
-
Стокса
(
усредненные
по
Фавру
в
турбулентном
случае
)
вязкого
сжимаемого
газа
в
стационарной
постановке
.
При
интегрировании
уравнений
применяется
хорошо
зарекомендовавший
себя
метод
конечного
объема
,
гарантирующий
полное
выполнения
законов
сохранения
массы
,
импульса
и
энергии
для
каждого
элементарного
объема
.
В
работе
используется
сопряженный
решатель
программы
газодинамического
моделирования
ANSYS CFX
обеспечивающий
второй
порядок
аппроксимации
по
пространственным
переменным
.
Построение
расчетной
сетки
выполнено
блочным
методом
с
помощью
пакета
программ
ANSYS ICEM CFD.
В
ходе
расчета
использовалась
библиотека
межпроцессорного
взаимодействия
HP-MPI
и
сеть
INFINIBAND.
Непосредственный
расчет
проводился
на
кластере
из
24
узлов
в
монопольном
режиме
в
течении
1
недели
.
Перспективы
использования
,
ожидаемая
эффективность
от
внедрения
приложения
,
практическое
применение
,
потенциальные
потребители
Треугольные
крылья
могут
рассматриваться
в
качестве
базовой
формы
при
формировании
облика
гиперзвукового
летательного
аппарата
.
Экспериментальные
исследования
,
как
правило
,
проводятся
в
достаточно
ограниченном
диапазоне
аэротермодинамических
параметров
.
В
связи
с
этим
численное
моделирование
позволяет
расширить
параметры
моделирования
и
осуществить
в
ряде
случаев
переход
от
модельных
условий
к
условиям
натурного
полета
.
Кроме
этого
,
численное
моделирование
позволяет
разрешать
тонкую
структуру
пространственного
течения
,
которая
недоступна
в
экспериментах
вследствие
ограниченного
набора
измерительных
методик
.
Полученные
в
работе
результаты
актуальны
для
аэрокосмической
отрасли
и
ракетостроения
,
а
также
могут
быть
полезны
экспериментаторам
,
исследующим
ламинарно
-
турбулентный
переход
и
тепловые
нагрузки
при
гиперзвуковом
обтекании
летательных
аппаратов
.