Адрес e-mail:

Проекты


1. Расчёт аэродинамических характеристик перспективного спускаемого аппарата «Федерация» 

Категория: Технологии 

В интересах ПАО «РКК «Энергия» (https://www.energia.ru/) проводятся работы по СЧ ОКР: «Расчетные исследования влияния реальных свойств газа на обтекание и тепловое воздействие при движении ВА со второй космической скоростью».  Данная СЧ ОКР является продолжением предыдущего проекта  2016 года «Расчет аэродинамических характеристик и теплообмена ВА ПТК с учетом неравновесности обтекания». Cроки выполнения работ 2017-2023 года.

Целью проекта является численное исследование аэродинамических характеристик и нагрева перспективного спускаемого аппарата «Федерация» с учетом  разреженности газа, физико-химических реакций, каталитичности поверхности и уноса массы теплозащитного покрытия. Расчеты проводятся для реалистичной модели аппарата с учетом выступающих элементов.

Во время выполнения проекта будет проведена адаптация программного комплекса расчёта гиперзвуковых течений FlowModellium с целью учёта влияния неравновесных физико-химических реакций и уноса массы с поверхности обтекаемого тела на структуру течения газа в расчётной области; реализована возможность расчёта лучистых тепловых потоков от ударного слоя к поверхности обтекаемого тела; добавлен функционал с целью учёта влияния каталитичности поверхности и уноса массы ТЗП на распределение тепловых потоков по поверхности обтекаемого тела.

Расчеты обтекания будут проводится для высот полета от 38 до 80 км и чисел Маха от 10 до 40.  Для вычислений используется как собственный кластер Dell лаборатории (>1000 ядер), так и ресурсы системы "Ломоносов" НИВЦ МГУ в рамках программы "Суперкомпьютерный потенциал российской промышленности" (http://superprom.hpc-russia.ru/).

Уникальность проекта  состоит в одновременности учета очень сложной геометрии аппарата и неравновесной физики обтекания.


2.  Проект Российского Научного Фонда (РНФ 14-19-00821) «Физически обоснованное моделирование ламинарно-турбулентного перехода в сверхзвуковых пограничных слоях».


Категория: Исследования


В настоящее время в лаборатории ведется работа по исследованию процессов ламинарно-турбулентного перехода (ЛТП) в высокоскоростных пограничных слоях. Работа по данной тематике сосредоточена по следующим направлениям:

Computers&Fluids: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0045793017304292

AIAA Journal: http://arc.aiaa.org/doi/10.2514/1.J055326

Proceedings of EUCASS-2017: https://www.eucass.eu/doi/EUCASS2017-353.pdf

AIAA Journal: http://arc.aiaa.org/doi/10.2514/1.J054665

Journal of Fluid Mechanics: https://doi.org/10.1017/jfm.2016.560


3. Проект Российского Научного Фонда (РНФ 17-79-10438)  «Аэродинамика космических аппаратов при трансзвуковых скоростях полета»


Категория: Исследования


Проект посвящен исследованию течения около марсианского космического аппарата на трансзвуковых режимах на основе численного решения трехмерных уравнений Рейнольдса с применением оригинального пакета программ HSFlow.

Несмотря на относительную простоту, сегментально-коническая форма космического аппарата обладает целым рядом особенностей  изменения аэродинамических характеристик по углам атаки, числам Маха и Рейнольдса. Особенно остро это проявляется в околозвуковом диапазоне скоростей. Поскольку ранее в этом диапазоне надежное расчетное определение аэродинамических характеристик было затруднено, то большинство исследований имело экспериментальный характер. Следует отметить, что при экспериментальном исследовании трудно смоделировать все основные параметры подобия в трансзвуковом диапазоне скоростей, практически невозможно получить полную картину обтекания модели летательного аппарата. К тому же в наземном эксперименте имеются достаточно большие систематические погрешности, обусловленные организацией трансзвукового потока в аэродинамической трубе, высоким уровнем пульсаций, конденсацией и целым рядом других аэродинамических особенностей трансзвукового потока газа. При этом стоимость экспериментальных данных является достаточно высокой. В настоящее время появилась возможность исследования поведения аэродинамических характеристик космических аппаратов сегментально-конической формы с помощью численного решения уравнений Навье-Стокса и Рейнольдса на супер-ЭВМ с достаточно высоким разрешением. При этом полная картина течения, полученная на этой основе, позволяет адекватно объяснить основные особенности нелинейного характера поведения аэродинамических характеристик в трансзвуковом диапазоне скоростей. Одной из основных причин такого характера поведения является отрывное течение в донной области летательного аппарата. Современные вычислительные технологии позволят ответить на целый ряд нерешенных научных и технических проблем движения космического летательного аппарата в околозвуковом диапазоне скоростей.

Расчеты выполняются на многопроцессорных супер-ЭВМ с использованием технологии распределенных вычислений на расчетных сетках размерностью до 100 миллионов узлов. Для исследования выбрана геометрия, максимально приближенная к геометрии реального марсианского аппарата проекта "ЭкзоМарс". Расчеты проводятся для режимов обтекания в диапазоне чисел Маха от 0.7 до 2 и углов атаки от 0 до 10 градусов. В ходе выполнения проекта будут получены основные аэродинамические характеристики модели космического аппарата, а также будут установлены основные закономерности их поведения в трансзвуковом диапазоне скоростей. Результаты данного исследования будут качественно сопоставляться с известными экспериментальными данными.


4. Проект Российского Фонда Фундаментальных исследований (РФФИ 18-31-00162\18)  «Использование методов машинного обучения для учета априорной информации при построении пристеночных функций в задаче моделирования турбулентных течений газа»


Категория: Исследования


Проект направлен на теоретическое исследование, разработку и применение пристеночных функции, построенных с использованием методов машинного обучения. Разрабатываемый подход позволит получить ряд существенных преимуществ при моделировании турбулентных течений в случаях, когда закон стенки нарушается (к этому может приводить, например, сильный градиент давления, кривизна поверхности). Подход предполагает усовершенствование существующих пристеночных функций с помощью методов машинного обучения. При построении пристеночных функций, авторы обычно стараются сделать их как можно более универсальными и применимыми для широкого класса задач. Это приводит к неминуемой потере в точности. Тем не менее вычислитель, использующий конкретную пристеночную функцию, применяет ее как правило к вполне определенному классу задач, которые имеют очень близкую физическую и математическую постановку, топологически близкую геометрию (например, исследование течений в каналах, задача профилирования крыла, расчет тепловых потоков на поверхности спускаемых аппаратов). То есть при практическом применении пристенных функций существует достаточно большой объем информации, который не используется в полной мере при самом построении данной пристеночной функции. Идея метода состоит в том, чтобы алгоритмически на основании решения в автоматическом режиме настраивать (во многих случаях это означает подбирать соответствующие коэффициенты) пристеночную функцию для разрешения особенностей данной задачи и, как следствие, повышать точность вычислений. При этом предполагается, что настраивающий алгоритм предварительно был обучен на решениях с хорошим разрешением пристенной области из того же класса. Важно отметить, что получение таких решений не стоит рассматривать как дополнительные вычислительные затраты, поскольку проведение предварительных тестовых расчетов, проверяющих корректность используемого решателя для рассматриваемых задач является неотъемлемой частью качественного исследования.
При реализации проекта исследуемый метод будет протестирован в рамках решения уравнений RANS как на одномерных и двумерных задачах, так и на трехмерных задачах со сложной геометрией.

5. Проект Российского Научного Фонда 18-19-00098 "Пристенная полная декомпозиция с нелокальными условиями сопряжения для эффективного моделирования турбулентных течений около летательных аппаратов при инженерном проектировании"

Современное проектирование высокоскоростных транспортных систем непосредственно связано с численным моделированием турбулентных потоков около тел различной конфигурации, таких как летательные аппараты реальной формы и спускаемые аппараты на завершающем этапе полета. При численном моделировании пристенных турбулентных течений основное расчетное время занимает разрешение тонкого слоя, включающего в себя ламинарный подслой, примыкающий к стенке. В результате разрешение пристенного слоя, толщина которого составляет порядка 1% от всей области, требует около 90% всех вычислительных затрат даже в случае применения рейнольдсовых моделей осреднения, не дающих разрешения турбулентных пульсаций. За последние десятилетия модели Рейнольдса, или модели RANS, получили огромное развитие и широкое применение. Несмотря на то, что их точность сильно ограничена, они до сих пор широко используются при реальном инженерном проектировании, требующем проведения серийных расчетов. Вихреразрешающие подходы, основанные на моделировании больших вихрей (LES), несомненно, более точны. Тем не менее, они до сих пор чрезвычайно дорогостоящие, требуют хорошего знания моделируемой структуры течения и в основном могут применяться лишь для контрольных или демонстрационных расчетов. Настоящий проект направлен на развитие высокоэффективного метода решения низкорейнольдовых стационарных и нестационарных моделей RANS.  Подход основывается на пристенной декомпозиции без пересечения подобластей. Применение декомпозиции обусловлено многомасштабностью задачи. Предлагаемый подход к решению проблемы является дальнейшим развитием метода приближенной (неполной) декомпозиции для уравнений RANS, ранее предложенной руководителем проекта. Применение данного подхода основывается на выделении пристенной подобласти.  В пристенной области, находящейся в пограничном слое, применяются упрощенные (укороченные) уравнения RANS вместо полных уравнений. Уникальность подхода заключается в перенесении граничных условий со стенки на пристенную промежуточную границу. Сопряжение областей осуществляется через нелокальные граничные условия на общей границе, которые можно сформулировать через псевдодифференциальные (граничные) уравнения.


Ранее в ряде работ была продемонстрирована высокая эффективность вышеуказанного подхода. В частности, были показаны преимущества метода над широко применяемым в инженерных расчетах подходом, основанном на пристенных функциях. Было показано, что метод неполной декомпозиции позволяет эффективным образом находить компромисс между минимизацией временных затрат и точностью. Вместе с тем накопленный опыт в применении разработанного метода неполной декомпозиции выявил слабые стороны методологии, к которым относится проблема использования алгоритма для переходных режимов. При моделировании течений сложной формы с негладкой геометрией требуется значительное сокращение толщины пристенного слоя, что неизбежно ведет к сильному увеличению временных затрат. Аналогичные проблемы возникают при моделировании отрывных течений. В дополнение к этому, при расчете гиперзвуковых течений газа необходим учет сжимаемости в пристенном слое, что требует модификации всего алгоритма.   На анализе модельных уравнений было показано, что при моделировании существенно нестационарных течений важно учитывать нелокальность условий сопряжения по времени. Таким образом, метод неполной декомпозиции в применении к существенно нестационарным течениям на основе уравнений URANS также требует существенной модификации. Как было показано в ряде работ, метод неполной декомпозиции может быть применен для моделирования отрывных течений. Тем не менее точность данного похода значительно падает.


В проекте вышеупомянутые проблемы предлагается разрешить с помощью разработки и применения полной декомпозиции без пересечения подобластей. Основная идея подхода основывается на построении предобуславливателя, основанного на полных уравнениях RANS во внешней области и укороченных уравнениях в пристенной области. Такой оператор предобуславливания может эффективно обращаться с помощью приближенной декомпозиции. Относительная близость оператора предобуславливания к исходному оператору RANS позволяет надеяться на высокую сходимость итерационного процесса. Построенный таким образом предобуславливатель непосредственно вытекает из физики задачи и, по-видимому, принципиально неулучшаем. Конечным итогом проекта будет разработка высокоэффективного метода решения уравнений RANS и URANS для тел со сложной геометрией, а также соответствующего программного обеспечения. Результаты проекта будут востребованы для инженерных приложений, связанных с оптимальным проектированием, требующем проведения серийных расчетов. Для такого класса задач модели  RANS и URANS до сих пор востребованы и будут востребованы значительное время. В дальнейшем, разработанный алгоритм и накопленный опыт эффективного решения уравнений RANS в пристенной области может быть использован для применения гибридных моделей RANS-LES. 

Если вы заметили в тексте ошибку, выделите её и нажмите Ctrl+Enter.

МФТИ в социальных сетях