книги / Решение инженерных задач на высокопроизводительном вычислительном комплексе Пермского национального исследовательского политехнического университета
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
РЕШЕНИЕИНЖЕНЕРНЫХЗАДАЧ НАВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОМ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМКОМПЛЕКСЕПЕРМСКОГО НАЦИОНАЛЬНОГОИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГОУНИВЕРСИТЕТА
Монография
2-е издание, стереотипное
Под редакцией В.Я. Модорского
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2014
УДК 621.0;621.4;624;665.6;681.3 Р47
Рецензенты:
академик РАН, главный научный сотрудник Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН А.М. Липанов;
декан факультета вычислительной математики и кабернетики, д-р техн. наук, профессор В.П. Гергель
(Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского)
Авторы: гл. 1 – В.Я. Модорский, Ю.В. Соколкин; гл. 2 – В.Я. Модорский, Л.Н. Бутымова; гл. 3 – М.Г. Бояршинов; гл. 4 – В.Я. Модорский, Д.В. Зимин; гл. 5 – В.Я. Модорский, П.В. Писарев, Д.В. Зимин; гл. 6 – А.А. Ташкинов, И.А. Арбузов, В.Я. Модорский, Р.В. Бульбович, П.В. Писарев, Д.В. Зимин; гл. 7 – В.Я. Модорский, П.В. Писарев; гл. 8 – В.Я. Модорский, А.В. Козлова, Д.Ф. Гайнутдинова, Е.В. Мехоношина; гл. 9 – В.Я. Модорский, П.В. Писарев, Д.В. Зимин; гл. 10 – Н.А. Шевелёв, В.Я. Модорский, П.В. Писарев, С.М. Белобородов, С.И. Бурдюгов; гл. 11 – В.Я. Модорский, А.Ф. Шмаков; гл. 12 – А.А. Ташкинов, И.А. Арбузов, В.Я. Модорский, Р.В. Бульбович, П.В. Писарев; гл. 13 – В.Я. Модорский, П.В. Писарев; гл. 14 – Ю.В. Соколкин, В.Я. Модорский, А.В. Козлова, С.А. Бондаренко; гл. 15 – Д.Н. Трушников; гл. 16 – М.А. Ташкинов, В.Э. Вильдеман; гл. 17 – В.Я. Модорский, П.В. Писарев, Д.В. Зимин, Ю.В. Соколкин, В.П. Муленков; гл. 18 – В.Я. Модорский, А.В. Козлова, Ю.В. Соколкин, М.Л. Сазонова, Д.В. Зимин, В.П. Муленков; гл. 19 – К.С. Галягин, А.С. Ипанов, М.А. Ошивалов, Ю.А. Селянинов; гл. 20 – В.Я. Модорский, В.П. Муленков, Д.В. Зимин; гл. 21 – А.В. Козлова, В.Я. Модорский, В.Ю. Петров, А.Н. Поник; гл. 22 – Г.Г. Кашеварова, А.А. Пепеляев; гл. 23 – М.Л. Бартоломей, Н.А. Труфанов; гл. 24 – В.Я. Модорский, О.В. Пищулина, В.В. Карпов; гл. 25 – М.Г. Бояршинов, Д.C. Балабанов; гл. 26 – И.Ю. Ошева, А.А. Ташкинов, В.Е. Шавшуков
Р47 Решение инженерных задач на высокопроизводительном вычислительном комплексе Пермского национального исследовательского политехнического университета : моногр. – 2-е изд., стер. / под ред. В.Я. Модорского. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2014. – 314 с.
ISBN 978-5-398-01140-1
Представлены физические и математические модели, алгоритмы и результаты решений инженерных задач на высокопроизводительном вычислительном комплексе Пермского национального исследовательского политехнического университета.
Предназначено для студентов, аспирантов и научных сотрудников, занимающихся научными исследованиями в области авиационного двигателестроения и газотурбинных технологий, добычи и переработки нефти, газа и полезных ископаемых, урбанистики и наноиндустрии с использованием высокопроизводительной вычислительной техники.
Издание осуществлено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследованийпогранту РФФИр_урал_а№11-07-96003
УДК 621.0;621.4;624;665.6;681.3
Выпуск монографии посвящается XIV Международной конференции «Высоко- производительныепараллельныевычислениянакластерныхсистемах(HРС-2014)»
ISBN 978-5-398-01140-1 |
© ПНИПУ, 2014 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................ |
6 |
Раздел 1. АВИАЦИОННОЕ ДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЕ |
|
И ГАЗОТУРБИННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ................................................ |
9 |
Глава 1. Разработка унифицированных математической модели |
|
и алгоритма расчета газоупругих задач.................................................... |
9 |
Глава 2. Разработка методики расчетно-экспериментального |
|
исследования динамической системы «газ – конструкция ».................. |
20 |
Глава 3. Эффективность использования ресурсов |
|
вычислительного кластера ПНИПУ для решения задачи |
|
о движении сжимаемой среды.................................................................. |
44 |
Глава 4. Оценка газодинамических характеристик, параметров |
|
напряженно-деформированного состояния и прогнозирование |
|
процесса обледенения многоцелевого испытательного стенда ............ |
67 |
Глава 5. Численное моделирование динамики системы |
|
«газ – конструкция » входного и выходного трактов |
|
многоцелевого стенда газоперекачивающих агрегатов........................ |
77 |
Глава 6. Численное моделирование теплового состояния |
|
газодинамического стенда......................................................................... |
82 |
Глава 7. Моделирование колебательных процессов |
|
в центробежном насосе.............................................................................. |
87 |
Глава 8. Численное моделирование кавитационных |
|
эффектов в замкнутой трубе с подвижной стенкой .............................. |
99 |
Глава 9. Численное моделирование напряженно-деформированного |
|
состояния подводящих трубопроводовГПА................................................ |
105 |
Глава 10. Численное моделирование виброустойчивости валов |
|
газоперекачивающих агрегатов в магнитных подвесах....................... |
113 |
Глава 11. Моделирование колебательных процессов |
|
в элементах конструкции РДТТ.............................................................. |
126 |
|
3 |
Глава 12. Численное моделирование ударно-волнового |
|
нагружения соплового аппарата на многопроцессорном |
|
вычислительном комплексе ................................................................ |
132 |
Глава 13. Междисциплинарное моделирование нагрева |
|
детали при работе горелки.................................................................. |
136 |
Глава 14. Разработка методики расчета газодинамического |
|
потока в канале переменного сечения с теплоотводом.................... |
140 |
Глава 15. Численное моделирование формирования |
|
вторичного сигнала в плазме при электронно-лучевой сварке.......... |
153 |
Глава 16. Статистические характеристики полей напряжений |
|
и деформаций в компонентах композитов со сферическими |
|
включениями при различных видах макрооднородного |
|
напряженно-деформированного состояния........................................... |
172 |
Раздел 2. ДОБЫЧА И ПЕРЕРАБОТКА НЕФТИ, |
|
ГАЗА И ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ............................................ |
192 |
Глава 17. Оценка износа трубопроводов для подачи пульпы |
|
из композиционных материалов............................................................. |
192 |
Глава 18. Исследование процессов нагружения |
|
и деформирования при работе флотационной машины...................... |
199 |
Глава 19. Компьютерное моделирование многофазного |
|
струйногонасосадля перекачки нефтепродуктов....................................... |
207 |
Раздел 3. УРБАНИСТИКА И НАНОИНДУСТРИЯ........................ |
217 |
Глава 20. Численное моделирование эксплуатационных нагрузок |
|
накрупногабаритнуюконструкциюизкомпозиционного материала..... |
217 |
Глава 21. Разработка методики расчета взаимодействия |
|
газодинамического течения в канале переменного сечения |
|
со струями воды и воздушным потоком............................................... |
223 |
Глава 22. Решение связанной задачи моделирования взрыва |
|
бытового газа в жилом кирпичном здании и оценки его |
|
несущей способности с использованием программных комплексов |
|
ANSYS и FLOW VISION ............................................................................. |
241 |
4
Глава 23. Применение пакета ANSYS для исследования |
|
деформирования здания с учетом трещинообразования .............. |
269 |
Глава 24. Численное моделирование |
|
напряженно-деформированного состояния оправки |
|
для намотки конструкций из композиционных материалов................ |
279 |
Глава 25. Использование ресурсов вычислительного кластера |
|
для моделирования распространения над территорией городского |
|
квартала отработанных газов автомобильного транспорта................... |
290 |
Глава 26. Моделирование механического поведения |
|
призматических образцов из крупноячеистых |
|
пространственно-армированных композиционных |
|
материалов при сжатии ........................................................................... |
304 |
5
ВВЕДЕНИЕ
Комиссия по модернизации и технологическому развитию экономики России при Президенте РФ на своем первом заседании 18 июня 2009 г. определила одним из приоритетных направлений технологического прорыва стратегические информационные технологии, включая создание суперкомпьютеров и программного обеспечения. Указом Президента РФ №899 от 7 июля 2011 г. утвержден Перечень критических технологий Российской Федерации, в который вошли технологии и программное обеспечение распределенных и высокопроизводительных вычислительных систем. Для развития этого направления в Пермском национальном исследовательском политехническом университете (ПНИПУ) был создан Центр высокопроизводительных вычислительных систем (ЦВВС), в настоящее время оснащенный 992-ядерным суперкомпьютером с пиковой производительностью 24 ТФлопс, имеющим шестьдесят 8-ядерных процессоров Intel Xeon и сто двадцать восемь 4-ядерных процессоров AMD Opteron 2350. В ходе реализации приоритетного национального проекта «Образование»
иПрограммы развития НИУ ЦВВС ПНИПУ был оснащен лицензионным бессрочным академическим и коммерческим программным обеспечением для проведения вычислительных экспериментов, базирующихся на использовании нелинейных, многомерных
имеждисциплинарных постановок. В октябре 2009 г. ПНИПУ стал членом Суперкомпьютерного консорциума университетов России,
азатем участником Национальной суперкомпьютерной технологической платформы. Подготовке высококвалифицированных кадров
вобласти суперкомпьютеров в ПНИПУ уделяется большое внимание. Утверждены свыше двадцати программ дополнительного про-
фессионального образования (ДПО) объемом 72, 102 и свыше 500 часов в области суперкомпьютерного образования. Врамках ДПО подготовлено свыше 450 специалистов, получивших документы государственного и установленного образца. Среди слушателей – студенты, магистры, инженеры, в том числе работающие на
6
крупнейших предприятиях Пермского края: ОАО «Авиадвигатель», ОАО НПО «Искра», ОАО «Машиностроитель», филиале ФГУП «Гознак» и пр., а также специалисты из других регионов России. Совместно с МГУ им. М.В. Ломоносова (г. Москва) и ННГУ им. Н.И. Лобачевского (г. Н. Новгород) проведено обучение свыше 100 слушателей в рамках ФЦП «Суперкомпьютерное образование». Преподаватели ПНИПУ прошли стажировки по технологиям параллельных вычислений в г. Москве, С.-Петербурге, Н. Новгороде, Сарове, Челябинске, Екатеринбурге, Переславле-Залесском, Новороссийске, Уфе и др.
На факультете повышения квалификации преподавателей ПНИПУ подготовлено около тридцати преподавателей по параллельным вычислениям. Представители ПНИПУ входят в состав программных и организационных комитетов, а также являются руководителями секций международных НТК «Параллельные вычислительные технологии» (г. Москва – МГУ им. М.В. Ломоносова; г. Новосибирск – НГУ, г. Челябинск – ЮУрГУ), международной НТК «Параллельные вычисления на кластерных системах» HPC-2010 (г. Пермь, ПГТУ) и др.
На базе ПНИПУ 1–3 ноября 2010 г. проходила юбилейная ХМеждународная научно-техническая конференция «Высокопроизводительные вычисления на кластерных системах» (НРС-2010). В работе конференции приняли участие 150 сотрудников вузов, представителей промышленности и ИТ-компаний, среди которых 38 докторов наук (из них 2 академика РАН, 4 чл.-корр. РАН) и 34 кандидата наук, представлявших 51 организацию из 27 городов России и зарубежья. Конференция проводилась под эгидой Суперкомпьютерного консорциума университетов России при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, Министерства промышленности, инноваций и науки Пермского края, корпораций
Microsoft, IBM, AMD, Intel, NVIDIA, российских компаний «Т-плат-
формы», «РСК-СКИФ», «Делкам-Урал», «Тесис». Информационная поддержка конференции обеспечивалась газетой научного сообщества «Поиск», информационно-аналитическим центром parallel.ru, информационно-аналитическим журналом «Rational Enterprise Me-
7
nagement» и Молодежным парламентом при Законодательном собранииПермскогокрая.
В ПНИПУ организован удаленный доступ к вычислительным ресурсам суперЭВМ для более 100 научных коллективов университета, институтов РАН, промышленных предприятий и организаций городов Перми, Москвы, Нижнего Новгорода, Сарова, Екатеринбурга и др. По результатам работ защищено 2 докторских и 5 кандидатских диссертаций.
Регулярно проводятся открытые лекции и научные семинары, в том числе в форме видеоконференций, ведущих специалистов, ученых и преподавателей, представляющих Россию и международное научное сообщество в области суперкомпьютерных технологий и вычислительного моделирования.
Сотрудниками ПНИПУ опубликовано свыше 120 статей по суперкомпьютерной тематике, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК и представленных в системе научного цитирования Scopus. Были получены 6 свидетельств Роспатента о регистрации программ для ЭВМ.
На суперкомпьютере ПНИПУ выполнены научно-исследова- тельские разработки в интересах вузов, организаций и предприятий Пермского края, в том числе в рамках Постановления № 218 ПравительстваРФв Проекте «ПНИПУ– ОАО «Протон-ПМ»» погосударственному контракту № 2010/403 по созданию высокотехнологичногооборудованиядляиспытаниягазотурбинныхустановок.
В монографии представлены некоторые результаты решения прикладных инженерных задач в области механики сплошных сред на суперкомпьютере ПНИПУ. Приводятся физические, математические модели и алгоритмы их решения на суперЭВМ. Значительная часть монографии посвящена решению FSI задач – исследуются взаимодействия в системах «газ– конструкция» и «жидкость– конструкция». Рассмотрен широкий круг задач в области авиационного двигателестроения и газотурбинных технологий, добычи и переработки нефти, газа и полезных ископаемых, урбанистики и наноиндустрии, соответствующих приоритетным направлениям развитияНИУПНИПУ.
8
РАЗДЕЛ 1. АВИАЦИОННОЕ ДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ГЛАВА1. РАЗРАБОТКА УНИФИЦИРОВАННЫХ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И АЛГОРИТМА РАСЧЕТА ГАЗОУПРУГИХ ЗАДАЧ
Разработаны математическая модель и унифицированный алгоритм решения связанной нелинейной динамической задачи газоупругости энергетических установок.
Сформулирована следующая расчетная модель:
–потокгаза полагается двумерным, осесимметричным (x, r);
–стенки канала представляют собой пористую деформируемую поверхность, через которую поступают продукты сгорания;
–рабочее тело представляет собой идеальный сжимаемый газ или сжимаемый газ по Ван-дер-Ваальсу (реальный газ);
–параметры газоприхода, в общем случае, нелинейно зависят от параметров потока в канале газодинамического устрой-
ства (Uгор=U1Pυ);
–конструкция многослойная, осесимметричная и двумерная;
–материал конструкции – сжимаемый, упругий. Математическое описание газоупругого процесса в указан-
ной постановке включает в себя следующие соотношения [1, 5–6, 10–28] для газодинамического потока:
– закон сохранения массы
∂ ρг |
+ div (ρгW) = 0 , |
(1.1) |
|
||
∂ t |
|
9
– |
законы сохранения импульса |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
∂ (ρгVxг |
) |
+ div (ρ V W) + |
∂ Р |
= 0 , |
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
∂ t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
г |
|
xг |
|
|
|
|
∂ x |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
∂ (ρгVrг |
) |
+ div (ρ V W) + |
∂ Р |
= 0 ; |
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
∂ t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
г |
|
rг |
|
|
|
∂ |
x |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
– |
закон сохранения энергии |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
∂ (ρгЕ) |
+ div (ρгЕW) + div ( PW ) = 0 ; |
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
∂ t |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
– |
уравнение состояния |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
P = ρг (k −1)(E −W 2 / 2) |
|
|
|||||||||||||||||||||||||
или |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P = ρг (k −1) |
(E −W 2 / 2) . |
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1 − αρ) |
|
|
|
|
|
|||||||
Для оценки НДС конструкции: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
– |
закон сохранения массы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
∂ ρ |
к |
+ |
∂ |
(ρкVxк ) |
+ |
∂ |
(ρкVrк |
) |
|
= 0 ; |
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
∂ t |
|
|
|
∂ x |
|
|
|
|
∂ |
|
|
r |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
– |
законы сохранения импульса |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
∂ (ρкVrк ) |
− |
∂ σrr |
|
− |
∂ σrx |
− |
( |
σrr |
− σθθ ) |
= 0 |
, |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
∂ t |
|
∂ |
r |
|
|
∂ |
x |
|
|
|
|
|
|
r |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
∂ (ρкVxк |
) |
− |
∂ σrx |
|
− |
∂ σxx |
|
− |
σrx |
= 0 |
; |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
∂ t |
|
|
|
|
∂ |
r |
|
|
∂ |
x |
|
|
|
r |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– соотношения для определения перемещений
(1.2)
(1.3)
(1.4)
(1.5)
(1.6)
(1.7)
(1.8)
10