Выступление академика РАН C.Л. Чернышева и члена-корреспондента РАН А.Н. Шиплюка

Аннотация

Выступление академика РАН C.Л. Чернышева и члена-корреспондента РАН А.Н. Шиплюка

Полный текст

Бурное развитие вычислительной физики в последние 30 лет, связанное со стремительным ростом производительности вычислительной техники и созданием коммерческих и открытых программных пакетов, cделало суперкомпьютерные технологии доступными для широкого круга инженеров и исследователей. Роль вычислительных технологий в разработке современной аэрокосмической техники постоянно повышается.

Надёжные средства численного расчёта позволяют существенно снизить стоимость и продолжительность экспериментальных работ, в частности, при проведении сертификационных испытаний, а также дополнить экспериментальные результаты более глубоким анализом физических процессов, включая протекающие в реактивных двигательных установках и при взаимодействии обтекаемого тела с потоком газа.

За последние 10 лет в использовании вычислительных методов произошёл переход от отдельных оптимальных решений по дисциплинам (аэродинамика, прочность, аэроакустика и др.) к оптимальным многодисциплинарным решениям. Идёт постоянное усложнение применяемых моделей – от упрощённых потенциальных или невязких течений до течений, описываемых полными уравнениями Навье–Стокса с различными моделями турбулентности. К примеру, новые методы суперкомпьютерного моделирования при проектировании аэродинамической компоновки современного российского самолёта МС-21 позволили достичь высокого аэродинамического совершенства на толстом крыле большого удлинения с уровнем качества К=18,2, что является главным показателем конкурентоспособности этого авиалайнера в сравнении с воздушными суднами аналогичного класса компаний "Боинг" и "Аэробус".

Сегодня на основе многодисциплинарных подходов можно надёжно определять аэродинамические характеристики самолёта, на которые наиболее существенное влияние оказывают фюзеляж, механизированное крыло с предкрылком и закрылком, пилоны, мотогондолы, крепления предкрылка и обтекатели механизмов выдвижения закрылков, а также вихрегенераторы на мотогондолах. При этом в задаче обтекания решаются уравнения Рейнольдса в частных производных в трёхмерной постановке. Для подобного расчёта аэродинамики самолёта в сложной взлётно-посадочной конфигурации с учётом работы силовой установки требуются сетки со 100 – 150 млн ячеек, типичное время расчёта может составлять несколько дней – это сегодняшний вычислительный уровень, достигнутый на существующих в России супер-ЭВМ. Конечно, на практике вычислительные методы и используемые программные пакеты должны быть надёжно валидированы на предмет точного соответствия расчётных моделей физическим явлениям.

Более сложная задача заключается в одновременном расчёте и оптимизации аэродинамических и аэроакустических характеристик летательного аппарата (ЛА). Так, результаты численного моделирования шума системы самолёт – крыло – двухконтурное сопло с горячей турбулентной струёй вблизи крыла с помощью программы, разработанной Центральным аэрогидродинамическим институтом (ЦАГИ) им. профессора Н. Е. Жуковского на основе полных нестационарных уравнений Навье–Стокса, потребовали достаточно подробных сеток с 200 млн ячеек. Такая густая сетка необходима для корректного вихреразрешающего моделирования и получения статистически достоверных оценок спектров шума турбулентного течения. Характерное расчётное время одной точки составляет около недели.

В задачах аэродинамического проектирования используются всё более сложные модели течения, описывающие вихревую физику обтекания. В настоящее время идёт бурное развитие моделей на основе метода крупных вихрей (LES и DES), а также совершенствование методов прямого численного моделирования, что очень важно для задач распространения звука и моделирования отрывного обтекания в турбулентном течении. В качестве достижения в этой области можно упомянуть работу Института прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН и ЦАГИ по моделированию аэродинамики и аэроакустики крыла со сложной механизацией в посадочном положении, которая выполнена под руководством академика Б. Н. Четверушкина.

Современные модели течений позволяют приступить к решению таких сложных задач, как исследование шума винта вертолёта в составе планера с целью его минимизации. Обнадёживающие результаты получены в совместной работе ЦАГИ и Сколковского института науки и технологий на основе пакета программ Пи-7, разработанного под руководством академика А. П. Кулешова.

Следующий сложный класс задач связан с численным моделированием высокоскоростных многофазных течений с множеством протекающих реакций. Проблема усложняется тем, что в гиперзвуковом течении около летательного аппарата проявляется полный набор атомно-молекулярных высокотемпературных физических явлений, включая разреженность, релаксацию внутренних степеней свободы, многокомпонентную диффузию, диссоциацию и рекомбинацию как в потоке, так и на стенке, ионизацию, радиацию и неравновесность (термическую, химическую и термодинамическую). Эти явления проявляются в макроскопической форме в виде широкого диапазона изменения определяющих критериев подобия – чисел M, Re, Kn, Dam, Sc, Le и др.

Достигнутый сегодня уровень – прямое численное моделирование течения газа с учётом неравновесных физико-химических процессов с двумя десятками химических реакций горения углеводородов, корректно описывающих взаимодействие турбулентности с горением и многофазные эффекты, например, горение и испарение капель, частицы сажи и т. п. Решение данной задачи критически важно при создании нового поколения высокоскоростных летательных аппаратов с гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем.

Для возвращаемых и других высокоскоростных ЛА, осуществляющих полёт на очень больших (свыше 80 км) высотах, гипотеза сплошной среды уже не работает, и для описания течений требуются методы прямого статистического моделирования (ПСМ). Так, большая серия расчётов аэротермодинамических характеристик возвращаемого аппарата "Федерация" была выполнена c использованием ПСМ на основе пакета программ Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН для диапазона высот 85 – 100 км. К особенностям методов ПСМ можно отнести достаточно высокие требования к вычислительным ресурсам, которые с уменьшением высоты полёта ЛА возрастают экспоненциально. Ключ к успеху – пакет программ с параллельными алгоритмами, ориентированный на компьютеры с параллельной архитектурой петафлопсного класса. При этом следует отметить, что применение графических процессорных устройств по сравнению с использованием обычной архитектуры обеспечивает более высокую эффективность вычислений.

Одним из заметных достижений последнего времени можно назвать успешные попытки создания единого пакета специализированных компьютерных кодов для расчётного анализа аэротермодинамики и газодинамики всех типов гиперзвуковых ЛА в широком диапазоне высот и скоростей полёта. Такой национальный пакет программ, в частности, создаётся под руководством академика С.Т. Суржикова в Институте проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН в кооперации с другими организациями. В программах, кроме основных газодинамических особенностей высокоскоростного течения в физических уравнениях, учитывается тепловое излучение на больших высотах. Результаты расчётов впечатляют, в особенности на фоне продолжающегося увеличения мощности супер-ЭВМ.

Другим примером универсального национального компьютерного кода является программный комплекс "Логос", разработанный специалистами входящего в Госкорпорацию "Росатом" ВНИИ экспериментальной физики. Он вобрал в себя многие типы течений и классы решаемых задач. Так, достигнутый в этой области уровень демонс­трируют результаты моделирования обтекания полной компоновки современного манёвренного самолёта нестационарным потоком на больших углах атаки с развитыми отрывными зонами. Один расчёт на 200 ядрах занимает 170 ч на сетке размерностью 32 млн ячеек.

Широкое применение суперкомпьютерных технологий позволяет решать задачу проектирования летательных аппаратов по-новому. В инновационном подходе создаётся компьютерная модель ЛА, по сути, – это его цифровой двойник. Компьютерная модель включает:

• комплекс специализированных программ моделирования напряжённо-деформированного и теплового состояний, аэрогазодинамических и гидравлических течений, описывающих обтекание летательного аппарата и его отдельных элементов в реальных условиях эксплуатации;
• единую базу данных, содержащую подробную информацию по постановке задач, тестированию, верификации и валидации программ, подтверждающих достоверность численного моделирования прочности, тепломассопереноса, аэрогазодинамики, аэроакустики ЛА в целом и его отдельных элементов (планера, двигателей, подвесных грузов и т. д.).

При этом в единую систему объединены базовый ряд суперкомпьютеров различной производительности, высокоскоростные каналы связи, пакеты программ с высокой степенью распараллеливания.

Показательным примером применения суперкомпьютерных технологий для задач авиастроения стало использование имитационного моделирования на супер-ЭВМ в целях сертификации новых российских пассажирских самолётов Сухой Суперджет-100 (SSJ-100) и МС-21. Достигнута высокая степень использования вычислений для обоснования надёжности и безопасности самолёта SSJ-100 в возможных аварийных ситуациях без полномасштабных экспериментальных работ. Обычно для этих целей строятся натурные макеты и стенды, стоимость которых вместе с испытания­ми составляет сотни миллионов рублей. Имитационное моделирование на супер-ЭВМ получило высокую оценку сертифицирующих органов, впервые в России по этим пунктам самолёт Сухой Супержет-100 был сертифицирован на основании расчётов без экспериментов, что позволило сократить сроки реализации проекта и затраты на него.

Внедрение суперкомпьютерных технологий в авиастроении позволяет:

• перейти на новую систему проектирования и поддержания жизненного цикла летательных аппаратов;
• использовать трёхмерное моделирование с имитацией реальных условий эксплуатации без упрощений и допущений;
• создавать дискретные модели не с десятками, а с сотнями миллионов или миллиардов ячеек;
• решать задачи с реальными граничными условиями эксплуатации техники;
• проводить преимущественно модельные виртуальные, а не физические эксперименты.

Цифровые двойники ЛА, виртуальные испытания и сертификация – это дело ближайшего будущего или даже, по некоторым элементам, уже настоящее. Внедрение суперкомпьютерных технологий в будущем может исключить доработку самолёта, снизить технические риски, повысить информативность решения инженерных задач, обеспечить создание обширной базы знаний для развития на перспективу.