Распараллеливание вычислений на графических процессорах в задаче моделирования газодинамического взаимодействия частицы со сверхзвуковым ударным слоем


DOI: 10.34759/tpt-2022-14-6-276-288

Авторы

Способин А. В.

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

e-mail: spise@inbox.ru

Аннотация

Описана математическая модель движения крупных твердых частиц в ударном слое у поверхности тела, обтекаемого сверхзвуковым потоком. Учитывается обратное влияние частиц на несущий газ. Двумерное течение вязкого теплопроводного газа описывается системой уравнений Навье — Стокса. Расчет обтекания потоком газа каждой из частиц осуществляется на отдельной вычислительной сетке в своей локальной системе координат, перемещающейся в пространстве относительно основной. Программная реализация представленной модели выполнена на основе универсальной открытой технологии распараллеливания вычислений OpenCL. Проведено сравнение производительности работы программы на центральном процессоре и графических процессорах различных производителей. Разработанное программное обеспечение используется для оценки коллективных эффектов, возникающих при движении группы крупных частиц в сверхзвуковом ударном слое.

Ключевые слова:

численное моделирование, параллельные вычисления на графических процессорах, технология OpenCL, адаптивные скользящие декартовы сетки, сверхзвуковое обтекание затупленного тела запыленным потоком

Библиографический список

  1. Моллесон Г.В., Стасенко А.Л. Газодинамическое ускорение микрочастиц и их взаимодействие с твердым телом // Теплофизика высоких температур. 2017. Т. 55. № 6. С. 742–749.
  2. Михатулин Д.С., Полежаев Ю.В., Ревизников Д.Л. Исследование разрушения углеродного теплозащитного материала при полете в запыленной атмосфере // Теплофизика высоких температур. 2003. Т. 41. № 1. С. 98−105.
  3. Веревкин А.А., Циркунов Ю.М. Двухфазное течение газа с частицами в сверхзвуковой ударной аэродинамической трубе // Тепловые процессы в технике. 2009. Т. 1. № 10. С. 420−423.
  4. Жарова И.К., Кузнецов Г.В., Маслов Е.А. Течение и тепломассообмен при взаимодействии высокотемпературного двухфазного потока с пластиной // Тепловые процессы в технике. 2011. Т. 3. № 10. С. 461−470.
  5. Ревизников Д.Л., Сухарев Т.Ю. Гиперзвуковое обтекание затупленных тел в условиях атмосферы Земли и Марса. Сравнительный анализ математических моделей // Тепловые процессы в технике. 2018. Т. 10. № 1–2. С. 5−15.
  6. Егоров И.В., Кунсик Конг, Новиков А.В. Моделирование обтекания носовой части спускаемого космического аппарата в атмосфере Марса // Ученые записки ЦАГИ. 2021. Т. 52. № 4. С. 20−33.
  7. Никитин П.В. Некоторые аспекты теплофизической модели формирования защитных покрытий сверхзвуковым гетерогенным потоком // Тепловые процессы в технике. 2010. Т. 2. № 7. С. 308−319.
  8. Ershova T.V., Mikhatulin D.S., Reviznikov D.L., Sposobin A.V., Vinnikov V.V. Numerical simulation of heat and mass transfer between heterogeneous flow and an obstacle. Computational Thermal Sciences, 2011, vol. 3, no. 1, pp. 15−30.
  9. Винников В.В., Домбровский Л.А., Ревизников Д.Л., Способин А.В. Моделирование переноса тепла излучением при обтекании преграды сверхзвуковым потоком газа со взвешенными частицами // Тепловые процессы в технике. 2012. Т. 4. № 7. С. 312−318.
  10. Миронов А.А., Исаев С.А., Попов И.А., Аксянов Р.А., Скрыпник А.Н. Повышение эффективности авиационных теплообменных аппаратов // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2020. № 1. С. 134−140.
  11. Fleener W.A., Watson R.H. Convective Heating in Dust-Laden Hypersonic Flows // AIAA Paper, 1973, no. 73–761.
  12. Holden M.S., Gustafson G.Q., Duryea G.R, Hudack L.T. An Experimental Study of Particle-Induced Convective Heating Augmentation // AIAA Paper, 1976, no. 76−320.
  13. Вараксин А.Ю. Обтекание тел дисперсными газовыми потоками // Теплофизика высоких температур. 2018. Т. 56. № 2. С. 282−305.
  14. Ревизников Д.Л., Способин А.В., Иванов И.Э. Изменение структуры течения под воздействием высокоинерционной частицы при обтекании тела сверхзвуковым гетерогенным потоком // Теплофизика высоких температур. 2018. Т. 56. № 6. С. 908−913.
  15. Способин А.В., Ревизников Д.Л., Иванов И.Э., Крюков И.А. Колебания давления и теплового потока, индуцированные газодинамическим взаимодействием высокоинерционной частицы с ударным слоем // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2020. № 4. С. 108−115.
  16. Sposobin A., Reviznikov D. Impact of High Inertia Particles on the Shock Layer and Heat Transfer in a Heterogeneous Supersonic Flow around a Blunt Body // Fluids. 2021. 6:406.
  17. Некрасов К.А., Поташников С.И., Боярченков А.С., Купряжкин А.Я. Параллельные вычисления общего назначения на графических процессорах. Екатеринбург: Изд-во Уральского университета, 2016. 104 с.
  18. Семенов С.А., Ревизников Д.Л. Эффективное использование программируемых графических процессоров в задачах молекулярно-динамического моделирования // Системы и средства информатики. 2017. Т. 27. № 4. С. 109–121.
  19. Morozov A.Yu., Reviznikov D.L. Modelling of dynamic systems with interval parameters on graphic processors // Программная инженерия. 2019. Т. 10. № 2. С. 69–76.
  20. Ревизников Д.Л., Семенов С.А. Особенности молекулярно-динамического моделирования наносистем на графических процессорах // Программная инженерия. 2013. № 2. С. 31–35.
  21. Боресков А.В., Харламов А.А. Основы работы с технологией CUDA. Москва: ДМК Пресс, 2010. 232 с.
  22. Сандерс Дж., Кэндрот Э. Технология CUDA в примерах. Введение в программирование графических процессов. Москва: ДМК Пресс. 2011. 232 с.
  23. Антонюк В.А. OpenCL. Открытый язык для параллельных программ / физический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова. Москва: МГУ имени М.В. Ломоносова, 2017. 88 с.
  24. Молчанов А.М. Математическое моделирование задач газодинамики и тепломассообмена. Москва: Издательство МАИ, 2013. 206 с.
  25. Kitamura K., Eiji S. Towards shock-stable and accurate hypersonic heating computations: A new pressure flux for AUSM-family schemes. Journal of Computation Physics, 2013, vol. 245, pp. 62–83.
  26. Винников В.В., Ревизников Д.Л. Метод погруженной границы для расчета сверхзвукового обтекания затупленных тел на прямоугольных сетках // Труды МАИ. 2007. № 27. 13 с. URL: http://trudymai.ru/eng/published. php?ID=34018
  27. Gaster B., Howes L. The OpenCL C++ Wrapper API. Version: 1.2 // Khronos OpenCL Working Group. 2012. 83 p.
  28. Gaster B., Howes L., Kaeli D., Mistry P., Schaa D. Heterogeneous Computing with OpenCL. Revised OpenCL 1.2 Edition. Morgan Kaufmann, 2012. 308 p.
  29. Способин А.В. Бессеточный алгоритм расчета сверхзвуковых течений вязкого теплопроводного газа // Труды МАИ. 2021. № 121. 25 с. URL: http://trudymai.ru/ eng/publicshed.php?ID=162656

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2024