Решение инженерных задач на высокопроизводительном вычислительном к

Министерство 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

4

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

9

10