Программный комплекс UNSS, ориентированный на решение задач внешней дозвуковой аэродинамики летательных аппаратов

Определяющие уравнения ньютоновской гидроаэродинамикинестационарные уравнения Навье-Стокса — известны уже 150 лет и даже более. Однако разработка укороченных форм этих уравнений по-прежнему остается областью активных исследований, также как и проблема замыкания осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, применяемых в теории турбулентности. В области неньютоновской гидроаэродинамики уровень описания химически реагирующих потоков и двухфазных течений, пока что не является столь высоким.

Экспериментальная гидроаэродинамика сыграла важную роль при проверке справедливости выведенных зависимостей и установлений пределов пригодности различных приближений в определяющих уравнениях. Аэродинамическая труба (АДТ), применяемая как оборудование для проведения физического эксперимента, является эффективным средством моделирования реальных течений. Традиционно АДТ сыграла роль альтернативы натурным измерениям, позволившей снизить временные и материальные затраты. В процессе проектирования конструкций, геометрия которых напрямую связана с характером поведения потока жидкости или газа, например, при проектировании самолета, натурные измерения не оправдывают себя экономически.

Устойчивое повышение скорости существующих ЭВМ и объема их памяти, начавшиеся в 1950;х годах, привело к возникновению вычислительной гидроаэродинамики (ВГАД). Эта ветвь гидроаэродинамики дополняет ее экспериментальную и теоретическую ветви, представляя собой альтернативное экономически эффективное средство моделирования реальных течений. ВГАД предоставляет возможности численного моделирования таких явлений, экспериментальное моделирование которых крайне сложно и дорогостояще, а зачастую вообще технически невозможно. Например, эксперименты в аэродинамических трубах ограничиваются определенным диапазоном чисел Рейнольдса, которые оказываются обычно на один или два порядка меньше величины натурных чисел.

Еще одно преимущество вычислительной гидроаэродинамики состоит в том, что при желании можно отбросить те или иные члены определяющих уравнений. Тем самым, открывается путь к опробации новых теоретических моделей.

Появление более эффективных ЭВМ стимулировало интерес к ВГАД. В результате ВГАД стало к настоящему времени наиболее предпочтительным средством проверки качества разработок в авиационной промышленности, в промышленности турбодвигателей и, в несколько меньшей степени автомобильной промышленности.

Заключение

.

Как показала опытная эксплуатация, разработанный программный комплекс UNSS, являющийся основой диссертационной работы, позволил повысить эффективность аэродинамического проектирования. Проведенные расчетные исследования продемонстрировали те качества, которые необходимы для решения задач проектирования летательных аппаратов. Прежде всего, это высокая численная устойчивость численного метода реализованного в UNSS, практически не зависящая от качества расчетной сетки и «умеренные аппетиты» к вычислительным ресурсам.

Конечно же, узлы расчетной сетки должны быть распределены исследователем по расчетной области таким образом, чтобы разрешить все особенности исследуемой геометрии и физические особенности течения. Это, сегодня самый сложный этап в численном эксперименте, требующий от исследователя большого опыта, от уровня выполнения которого, напрямую зависит точность расчета.

Что касается требований к объему оперативной памяти, то в среднем на каждый расчетный узел расчетной задачи требуется около 1.4 Кбайт, что в 2.5 раза меньше чем требует Fluent и в 3.5 раза меньше, чем требует StarCD. Поэтому, приведенный расчет симметричной части компоновки в крейсерской конфигурации можно выполнять на компьютере Pentium 4 с 2 Гбайт оперативной памяти, а в случае использования расчетного пакета Fluent необходимо использовать, как минимум серверную конфигурацию с двумя процессорами в режиме HyperThreading или четырьмя процессорами и 4 Гбайт оперативной памяти. Другой вариант собрать сетевой кластер из четырех Pentium 4. В данном случае распараллеливание необходимо для возможности проведения расчета во Fluent такого масштаба, так как платформа является 32-разрядной, а адресное пространство ограничено 2 Гбайтами для одного процесса. Использование пакетом Fluent динамического перевыделения понижает размер доступной оперативной памяти до 1.4 Гб, благодаря ее дефрагментации. Таким образом, для решения задачи с потребной оперативной памятью 4.5 Гбайт во Fluent потребуется четыре процесса.

В настоящее время одной из главных нерешенных проблем программного комплекса UNSS является отсутствие возможности распараллеливания расчета. В таком виде UNSS сильно проигрывает на больших задачах другим расчетным пакетам, обладающих распараллеливаемым солвером, во времени счета.