автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизация предпроектных исследований в энергомашиностроении с использованием методов вычислительной гидродинамики

Министерство образования РФ

Тверской государственный технический университет

На правах рукописи

Рыков Дмитрий Сергеевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРЕДПРОЕКТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ЭНЕРГОМАШИНОСТРОЕНИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ГИДРОДИНАМИКИ

Специальность: 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Министерство образования РФ

Тверской государственный технический университет

На правах рукописи

Рыков Дмитрий Сергеевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРЕДПРОЕКТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ЭНЕРГОМАШИНОСТРОЕНИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ГИДРОДИНАМИКИ

Специальность: 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2004-4 18132

Работа выполнена в Тверском государственном техническом университете

Защита состоится «27» февраля 2004 г. в 15 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.262.04 в Тверском государственном

техническом университете по адресу: 170026, г.Тверь, наб. Аф. Никитина, 22 (Ц-212)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тверского государственного технического университета.

Автореферат разослан «_И£» января 2004 г.

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Горячев В.Д.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Филатова Н.Н.

Кандидат технических наук Михайлов Ю.Н.

Ведущая организация:

НПО «НИИ Центрпрограммсистем», г.Тверь

диссертационного совета

Ученый секретарь

Жгутов А.В.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Стадия предпроектных исследований и расчетов является определяющей при разработке современных, сложных по форме и инженерной реализации энергетических устройств, изделий авиа- и судостроения, химических аппаратов, технологическое устройство которых основано на использовании явлений гидродинамического переноса в турбулентных и ламинарных, стационарных и нестационарных, вихревых течениях жидкости или газа. Успехи современной вычислительной гидродинамики позволяют заменить дорогостоящее лабораторное и натурное физическое моделирование. Современные вычислительные методы позволяют получить детальную информацию об сложнейших физических явлениях, а при использовании соответствующих вычислительных ресурсов получить в численном эксперименте результаты, иногда просто невозможные в лабораторной постановке.

Разработка вычислительных систем для САПР соответствует перечню научных направлений, утвержденному Постановлением Правительства РФ №2727/п-П8 от 21 июля 1996 г., где, в частности, уделяется приоритет работам по темам: "1.6. Системы математического моделирования" и "2.6. Интеллектуальные системы автоматизированного проектирования и управления".

Методы вычислительной гидродинамики характеризуются использованием усложняющихся математических моделей и рациональных методов численного расчета, переходом на моделирование течений в геометрически сложных многосвязных областях самых различных объектов. В настоящее время традиционный подход к изолированному решению отдельных задач, настроенных на конкретные режимы и геометрию аппаратов, (с подбором подходящего численного метода, написанием в каждом случае нового вычислительного кода, его отладкой и проведением расчета в условиях большого выбора трудно предсказуемых значений основных параметров течения и моделей переноса) нерационален и непродуктивен.

В современных проектах создания высоких технологий, процессов и аппаратов, для решения задач гидродинамики, теплообмена, теории упругости и т.п., используются специальные средства моделирования и последующего инженерного анализа, такие, например, как системы Рго/ENGINEER, CATIA, Nastran, Flow-3D. Они получили достаточное распространение в основных индустриальных странах. Однако их использование ограничено, в частности в пашей стране, что связано с высокой стоимостью этих систем, необходимостью наличия у проектировщика высокопроизводительных вычислительных ресурсов и большими затратами на обучение разнородным интерфейсам взаимодействия с этими системами.

В настоящее время наблюдается рост создания информационно-вычислительных систем (ИВС) с телекоммуникационным доступом. Они

являются перспективными для компьютерного моделирования самых различных процессов, входящих в перечень критических технологий. Такие ИВС, доступные через сети общего назначения подобные Internet, становятся корпоративной средой для изучения технологий и решения сложных инженерных задач. Пользователи ИВС, используя открытые предметно-ориентированные графические средства и интерфейсы, формулируют в их среде задачи, направляют их на выполнение на доступные вычислительные ресурсы, проводят анализ полученных результатов. Удаленность пользователей и возможность конфигурации территориально удаленных вычислительных ресурсов обуславливают распределенный характер таких систем.

Наличие мощного вычислительного ядра в ИВС соответствует классу решаемых задач. В мире используются решатели задач вычислительной гидродинамики разной мощности и универсализма - Fluent, STAR-CD, CFX, PHOENICS. Среди отечественных вычислительных кодов, используемых для численного моделирования в гидродинамике, можно отметить не уступающие мировым аналогам программы SINF, ESTTAC, AeroShape-3D, GasDynamicsTool. До последнего времени их использование было ограничено рамками разработавших их научных коллективов. В первую очередь это связано с отсутствием интуитивно понятных графических средств подготовки и анализа расчетных данных и недостаточным уровнем сопроводительной документации к системам. Такие решатели могут использоваться в качестве вычислительных ядер создаваемых сетевых вычислительных систем при условии разработки специальных предметно-ориентированных графических средств взаимодействия клиентов с вычислительными ядрами систем.

Современные вычислительные сети с выходом на вычислительные кластеры могут обеспечить расчетчиков необходимыми вычислительными ресурсами с возможностью применения недорогих рабочих станций, соединенных в локальные сети, для достижения необходимой производительности. При создании специализированных ИВС необходимо учитывать особенности решения задач вычислительной гидродинамики, позволяющих использование вычислительной сети либо в режиме большого потока задач, характерного для решения параметрических задач, либо в режиме распараллеливания по геометрическим блокам для решения больших задач в геометрически многосвязных областях с большим объемом данных. Необходимо также учитывать возможное продолжительное время отдельных вычислений, что определяет сеансовый режим работы с вычислительным ядром системы, с архивацией промежуточных данных, и с контролем прохождения задач, при непостоянном физическом подключении к вычислительном ресурсам.

Целью диссертационной работы является создание систем, позволяющих повысить эффективность автоматизации предпроектных исследований сложных термогидродинамических процессов. Исследование

особенностей технологий предлагается проводить с использованием методов вычислительной гидродинамики, используемых в САПР промышленных изделий в энергетике, в авиа- и судостроении, и других областях, везде, где требуется подробное моделирование явлений переноса в турбулентных и ламинарных, стационарных и нестационарных, вихревых течениях жидкости или газа. По своему классу решаемые задачи относятся к задачам внутренней гидродинамики.

В соответствии с указанной целью определены следующие задачи исследования:

1. провести анализ существующих вычислительных систем с телекоммуникационным доступом, используемых для решения задач вычислительной гидродинамики, а также программного обеспечения, предназначенного для построения подобных открытых информационных систем;

2. разработать структуру распределенной информационно-вычислительной системы (РИВС) моделирования двух- и трехмерных стационарных и нестационарных, ламинарных и турбулентных течений с телекоммуникационным доступом к вычислительным ядрам;

3. создать РИВС моделирования сложных внутренних течений с использованием перспективных методов вычислительной гидродинамики; разработать открытое программное обеспечение для подготовки данных и анализа результатов расчетов; интегрировать в вычислительное ядро системы решатели ABCREAD и NetSINF; обеспечить доступ к системе через сеть Internet;

4. провести численное исследование стационарных вихревых течений, формируемых в трехмерных каналах (используемых при охлаждении узлов энергетических устройств, применяемых в вентиляционных системах) с помощью разработанной системы; использовать результаты при тестировании вычислительного ядра и создания библиотеки образцовых течений в каналах и кавернах, индуцированных различными силами.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа, элементы теории систем автоматизированного проектирования, теории проектирования баз данных, методы объектно-ориентированного программирования, методы решения задач вычислительной гидродинамики.

Научная новизна. Соискателем получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. предложена новая структура распределенной вычислительной системы с телекоммуникационным доступом, объединяющая архитектуру клиент-сервер, кластерную вычислительную сеть и открытые предметно-ориентированные сетевые средства подготовки

и анализа расчетных данных, позволяющая создать РИВС моделирования двухмерных и трехмерных внутренних течений с доступом через сеть Internet;

2. разработана методика интеграции решателей в вычислительное ядро системы, позволяющая адаптивно добавлять в систему новые решатели без изменения программного обеспечения системы;

3. создана авторская библиотека расширяемого программного обеспечения, используемая для быстрой разработки и адаптации к добавляемым решателям соответствующих сетевых предметно-ориентированных графических средств подготовки и анализа расчетных данных;

4. предложена модель описания внутренних задач вычислительной гидродинамики на основе древовидного графа метапараметров, позволяющая создавать библиотеку автоматического построения графического интерфейса пользователя.

На защиту выносятся:

1. РИВС численного моделирования внутренних двух- и трехмерных течений жидкости и газа с доступом через сеть Internet; разработанная структура, модель классов и реляционная модель хранения данных вычислительной системы;

2. методика интеграции решателей в вычислительную систему; открытое программное обеспечение графических предметно-ориентированных сетевых средств подготовки и анализа расчетных данных и контроля вычислений;

3. модель описания внутренних задач вычислительной гидродинамики на основе древовидного графа метапараметров; библиотека автоматического построения графического интерфейса пользователя.

Практическая ценность и реализация работы. На основе разработанных в диссертации положений создана РИВС моделирования внутренних течений жидкости и газа, используя которую, можно проводить моделирование сложных вихревых течений на основе современных методов вычислительной гидродинамики. Разработанная вычислительная система доступна в сети Internet (http://seliger.tversu.ru). РИВС содержит вычислительные ресурсы для решения термогидродинамических задач, базу данных калибровочных расчетов (регистрационный номер государственного регистра баз данных - № 0229805158). Создана библиотека автоматического построения графического интерфейса пользователя. В вычислительную систему интегрированы решатели ABCREAD и SINF. Для каждого решателя разработаны сетевые предметно-ориентированные графические средства подготовки и анализа расчетных данных.

Тестовое численное исследование трехмерных стационарных вихревых потоков в трехмерных каналах показало эффективность предложенной вычислительной системы. Тестовое исследование позволило уточнить

параметры течения в каналах с двумя ортогональными поворотами, а также установить изменение характера течения при изменении длины вставки между поворотами. В расчете потеря давления для вставки длиной 3 калибра составила 1.29, что па 5% меньше значения, рассчитанного по формулам гидравлики. Длина участка полного наполнения скоростного профиля потока после первого поворота была определена как величина порядка 70 калибров, что больше результата, полученного на основе классических аналитических расчетов на 15%, и хорошо согласуется с наблюдаемыми значениями. Результаты моделирования некоторых типов внутренних течений систематизированы и внесены в базу данных образцовых расчетов.

Вычислительная система используется в ТГТУ и СПбТТУ для проведения численных исследований в области гидродинамики. Работа по созданию РИВС проводилась при поддержке РФФИ (гранты № 99-07-90103, № 02-07-90049). Полученные результаты и разработанная РИВС могут быть использованы для построения систем автоматизации предпроектных исследований в различных областях промышленности, везде, где требуется подробное моделирование явлений переноса в турбулентных и ламинарных, стационарных и нестационарных вихревых течениях жидкости или газа.

Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты работы докладывались: на 2-ой российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1998), на 3-ей международной научной конференции "Математические методы нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах" (Тверь, 1998). Работа представлялась на International Workshop on Computer Science and Information Technologies (Москва-Уфа, 1999/2000), на всероссийскую научную конференцию "Научный сервис в сети Интернет" (Новороссийск, 1999-2003), её результаты обсуждались на конференции представителей региональных научно-образовательных сетей "RELARN" (Петрозаводск-Н.Новгород-С.-Петербург, 2001-2003), на ХШ Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева "Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и теплообмена в энергетических установках" (С.-Петербург, 2001), на международной научно-технической конференции "Компьютерные технологии в управлении, диагностике и образовании" (Тверь, 2002). Результаты работы были представлены, и получили одобрение на специализированной международной конференции в США: ASME Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference (Питтсбург, 2001).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 16-ти печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 132 страницах, и списка литературы, включающего 135 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель, основные задачи, методы проведения исследований, определены научная новизна и практическая ценность результатов работы, приведены сведения об их реализации и апробации и представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проанализировано современное состояние решателей задач вычислительной гидродинамики, используемых для предпроектных исследований в области проектирования изделий энергомашино-, авиа- и судостроения. Определены основные принципы построения современных вычислительных систем, с учетом особенностей их применения для решения задач вычислительной гидродинамики.

Рассмотрены принципы построения и основные особенности вычислительных систем для решения задач вычислительной гидродинамики, с доступом через сеть Internet. Проведен анализ возможностей систем CFDnet, Exa e-CFD, PFD NetCFD, CHAM Simuserve. Сформулированы основные требования к современной вычислительной системе моделирования течений методами вычислительной гидродинамики:

1. доступ к вычислительным ресурсам системы через сети общего назначения, например Internet или intranet;

2. вычислительная мощность, достаточная для решения задач гидродинамики, имеющих нужную для отражения физической природы задач размерность расчетных сеток;

3. расширяемость системы, позволяющая увеличение вычислительной мощности без изменения структуры системы, с гибким распределением нагрузки на каналы связи и наращиванием функциональности;

4. программная переносимость, как клиентской части системы, так и её серверной части;

5. стандартный интерфейс, позволяющий пользоваться системой только с помощью Web-браузера и реализующий сетевые графические предметно-ориентированные средства подготовки и анализа расчетных данных.

Рассмотрены основные средства организации высокопроизводительных вычислений. На основе оценок мощности самых сложных из проведенных на сегодняшний день исследований (от 1015 до 1018 операций при использовании моделирования турбулентности DNS (Direct Numerical Simulation - прямое моделирование турбулентности) и LES (Large Eddy Simulation - метод крупных вихрей)) показана применимость вычислительных сетей (кластеров) для решения представляющих научный интерес задач вычислительной гидродинамики. Определены возможные пути повышения производительности. Проанализированы основные способы построения

кластерных систем, основные программные средства организации параллельных вычислений.

Изучены вопросы переносимости и расширяемости прикладных систем, существующее программное обеспечение промежуточного слоя, систем управления базами данных и пакетной обработки. Определены подходы к реализации графического пользовательского интерфейса, сформулирована возможность применения Java-апплетов и автоматического построения интерфейса в целях реализации предметно-ориентированных средств для подготовки и анализа расчетных данных вычислительной системы.

На основе анализа современных систем предложена структура РИВС моделирования внутренних . течений методами вычислительной гидродинамики. Основу системы составляет вычислительное ядро, построенное на базе существующих технических средств, объединенных в вычислительный кластер. Кластер состоит из 6 вычислительных узлов (AMD Athlon 900/128 Mb/20 Gb) и управляющего компьютера (Intel Celeron 500/256 Mb/40 Gb), объединенных сетью Fast Ethernet.

Пиковая производительность отдельных вычислительных узлов кластера оценена по тесту Linpack для матриц размерностью 1000x1000 элементов и составляет 94 MFlops для одинарной и 68 MFflops для двойной точности, что эквивалентно примерно 3 часам расчета для решения задачи в 1012 операций. Суммарная- пиковая производительность кластера на параллельных вычислениях оценена по тесту HPL и составляет около 4GFlops для матриц размерностью 8000x8000 элементов. Полученные оценки производительности позволяют считать организованный вычислительный ресурс приемлемым для проведения сложных объемных расчетов в области вычислительной гидродинамики.

Полученные результаты позволяют использовать структуру вычислительного ресурса как основу структуры вычислительной системы. При этом распределенность вычислительной системы понимается как:

1. территориальная распределенность информационно-вычислителъных ресурсов и рабочих мест пользователей;

2. распределенность вычислительного ресурса, организованного в виде вычислительного кластера, что дает возможность наращивания вычислительной мощности ресурса;

3. использование архитектуры клиент-сервер, позволяющей множеству пользователей одновременно работать с вычислительной системой через сеть Internet, используя в качестве клиента Web-браузер;

4. выделение сервера баз данных в структуре управляющего сервера, что позволяет масштабировать ресурсы хранения;

5. возможность создания системы серверов распределенной вычислительной системы, территориально удаленных друг от друга.

Таким образом, предложенная структура РИВС моделирования внутренних течений методами вычислительной гидродинамики состоит из четырех основных модулей (рис. 1): клиентской части, управляющего

сервера или серверов, СУБД, вычислительного кластера и соответствует основным требованиям, предъявляемым к современным вычислительным системам.

Рис. 1 Структура РИВС моделирования внутренних течений методами вычислительной гидродинамики

Во второй главе подробно рассмотрена структура и основные модули разработанной РИВС моделирования внутренних течений методами вычислительной гидродинамики.

Разработанная РИВС ориентирована на использование в качестве клиента Web-браузера с поддержкой Java как стандартного средства работы с системой через сеть Internet Вычислительная система обеспечивает возможность расширения (увеличения вычислительной мощности, интеграцию в систему новых решателей), предоставляет сетевые средства подготовки и анализа расчетных данных и поддерживает параллельные вычисления. Структурно РИВС состоит из четырех основных модулей:

1. клиентской части, предоставляющей графический пользовательский интерфейс к ресурсам управляющего сервера и содержащей сетевые графические предметно-ориентированные средства для подготовки и анализа расчетных данных;

2. управляющего сервера, включающего менеджер задач и Web-сервер для обеспечения доступа к информационному обеспечению вычислительной системы;

3. СУБД РИВС;

4. вычислительного ресурса, организованного на базе вычислительной сети (кластера).

Управляющий сервер является ядром вычислительной системы и позволяет перейти от низкоуровневого варианта использования вычислительного кластера, ориентированного на применение командной строки, к работе с задачами пользователя с использованием предметно-ориентированного графического интерфейса.

Управляющий сервер включает в себя Web-сервер и менеджер задач. Web-сервер обеспечивает доступ к информационному обеспечению вычислительной системы: справочной информации, научным статьям, базе данных калибровочных расчетов, и предоставляет возможность работы с системой с помощью Web-браузера с поддержкой Java, обеспечивая взаимосвязь основанной на Java-апплетах клиентской части с менеджером задач.

Менеджер задач обеспечивает централизованное управление задачами пользователей. Построенный с использованием объектно-ориентированного подхода, менеджер задач регистрирует задачи пользователей в базе данных задач, обеспечивает управление рабочими директориями задач в файловой системе, осуществляет контроль жизненного цикла задач (рис. 2), организует взаимодействие" с системой пакетной обработки. Менеджер задач реализован на языке программирования Java, что обеспечивает программно-аппаратную независимость серверной части РИВС. Для унификации взаимодействия клиентов с менеджером задач используется программное обеспечение

промежуточного слоя Java RMI. В управляющем сервере используется Web-сервер Apache 2.0.

Информация обо всех пользовательских задачах хранится в базе данных менеджера задач (рис. 3). База данных менеджера задач создана в СУБД вычислительной системы. В качестве СУБД используется СУБД PostgreSQL 7.2. Для связи СУБД с модулями управляющего сервера используется библиотека JDBC. Применение базы данных менеджера задач обеспечивает расширение возможностей вычислительной системы путем добавления новых типов решателей без модификации менеджера задач.

v v ;f; -üseßri;

PK М PK id -► PK' id

name solver parameters analysis 4- HK1 tief name

FK2 name lud status info

Рис. 3 Фрагмент структуры базы данных менеджера задач

Таким образом, может быть предложена методика интеграции новых решателей:

1. сборка нового решателя и помещение его исполняемого файла в директорию, предназначенную для хранения зарегистрированных в системе решателей;

2. разработка средств подготовки данных (препроцессора) для данного решателя, с учетом возможности применения специально разработанной библиотеки автоматического построения графического интерфейса пользователя, основанной на метаописании параметров задач вычислительной гидродинамики;

3. разработка новых средств анализа результатов расчетов (постпроцессора) или настройка интегрированного в систему постпроцессора NetLeo;

4. регистрация нового решателя в базе данных менеджера задач, включающая запись имени исполняемого файла решателя, URL средств подготовки и анализа расчетных данных в базу данных менеджера задач.

Основу менеджера задач составляют семь базовых классов (рис. 4). Главный класс TaskManager определяет программный интерфейс API (Application Program Interface) менеджера задач, представленный реализацией Java RMI сервера TaskManagerImpl.

Программный интерфейс менеджера задач представлен тремя группами методов:

1. управление задачами пользователей (создание, удаление, запуск и останов задач);

2. операции с файловой системой управляющего сервера (чтение, запись и копирование фалов);

3. получение дополнительной информации (данных о пользователях, зарегистрированных типах задач).

Клиентская часть менеджера задач обеспечивает графический пользовательский интерфейс к методам, предоставляемым менеджером задач. Клиентская часть менеджера задач выполнена в виде Java-апплета, что обеспечивает ее программно-аппаратную независимость. Последовательность работы клиентской части менеджера задач показана на рис. 5.

В. третьей главе рассмотрены включенные в РИВС средства подготовки и анализа расчетных данных.

Для каждого интегрированного в систему решателя разработан сетевой препроцессор, обеспечивающий задание параметров течений, расчетных сеток и граничных условий. Помимо сетевых средств подготовки данных в состав вычислительной системы также входит разработанный в авторском коллективе генератор структурированных и конечно-элементных расчетных сеток ORIGGIN (Operative and Rational Interactive Grid Generation Instrument), выполненный в виде приложения для ОС Windows.

Первый интегрированный в вычислительную систему решатель ABCREAD (Analysis of Buoyancy, Curvature and Rotation Effects in Annuli and Ducts) предназначен для численного решения двумерных/осесимметричных уравнений Навье-Стокса в сочетании с уравнением энергии. Решатель ориентирован на решение многопараметрических задач расчета течений несжимаемой жидкости и конвективного теплообмена в прямоугольных или цилиндрических полостях, во вращающихся осесимметричных емкостях, а также задач о полностью развитых (в продольном направлении) течений во вращающихся- прямолинейных или криволинейных каналах. Решатель позволяет вести расчеты как для ламинарных, так и для турбулентных течений. В последнем случае задачи решаются с привлечением высокорейнольдсовой к~е модели турбулентности и пристеночных функций. .

Препроцессор ABCREAD является примером унаследованного приложения, разработанного непосредственно средствами

программирования языка Java. Опыт поддержки этого препроцессора выявил недостатки, связанные со сложностью его модификации. Это было учтено при разработке препроцессора NetSINF, выполненного на базе специально разработанной библиотеки автоматического построения графического интерфейса пользователя.

Библиотека автоматического построения графического интерфейса пользователя основана на построении визуального представления древовидного графа метаописаний параметров в виде непосредственно дерева или таблицы. Для представления узлов графа метаописаний параметров разработана модель классов метапараметров (рис. 6).

Рис. 5 Последовательность работы клиентской части менеджера задач

Основу иерархии представляет класс Metа, инкапсулирующий основные данные для графического представления какого-либо параметра. Для представления примитивных параметров, являющихся листьями графа, создан набор классов, являющихся потомками класса Meta. Этот набор включает классы для представления целых, вещественных, строковых, булевых и выборочных из списка параметров.

Рис. 6 Модель классов металараметров библиотеки, предназначенной для автоматического построения графического интерфейса пользователя

Для представления графа параметров на экране разработаны классы построения дерева Tree и таблицы Table. Дерево непосредственно отображает структуру графа параметров на экране, в то время как таблица предназначена для представления графов, корневая ветвь которых состоит только из подветвей, образующих строки таблицы, а составляющие их узлы линейно разворачиваются по столбцам таблицы. Для отображения узлов графа используется концепция изобразителей (renderers).

Более мощный универсальный решатель SINF (Supersonic-to -INcompressible Flows), позволяет моделировать двух- и трехмерные,

стационарные и нестационарные, невязкие и вязкие, ламинарные и турбулентные, несжимаемые и сжимаемые дозвуковые течения, конвективный теплообмен, а также учитывать в расчетах эффекты плавучести и вращения. Пространственная область течения покрывается структурированной одноблочной расчетной сеткой.

Т Main píamete» • THIe

— Flow parameter

• Flow model

■ Fluid model •'.

• Healtrancfei

• Flow mode

• External faces

• Global rotation + Sedes and paramelets + IruUikahon + £гт;у ■гтх'ЧГ! + T jrbukr-c« nodíl .

• + ExiemaifcicM • • 4a Nurwical disíipaiion

................................

'{^«¡¡SjgntJ. Guij- ВСf ¿«jnplés{'.'SaveI iTIVv'1C^-.'Ü-v^VVÁV f

Рис. 7 Рабочие окна препроцессора NetSINF и постпроцессора NetLeo. В окне постпроцессора показано поле скоростей циркуляционного течения в одном из сечений защитного сооружения ядерного реактора

Течение описывается полной системой уравнений Навье-Стокса или Эйлера с добавлением уравнений переноса энергии и транспортными уравнениями для учета характеристик турбулентности. .Моделирование турбулентного переноса осуществляется на основе высоко- и низкорейнольдсовых к-В моделей турбулентности. При постановке задач используются разнообразные граничные условия: многосегментное задание данных на входе в моделируемую область с заданной скоростью и температурой и задание данных для давления (или его градиента) на выходной границе. Твердые граничные поверхности могут быть заданы стационарными, движущимися, с заданной температурой, с заданным тепловым потоком или внешним параметром теплопередачи. В случае применения высокорейнольдсовой модели турбулентности используются пристеночные функции. На части свободных поверхностей возможно задание условия зеркальной симметрии, трансляционной или вращательной

периодичности. Уравнения решаются методом контрольного объема второго порядка точности в сочетании с методом искусственной сжимаемости.

Коды решателей разработаны на кафедре гидроаэродинамики СПбГТУ под руководством проф. Смирнова Е.М. и, с частичной переработкой, адаптированы к применению в сетевом варианте автором настоящей работы.

Для подготовки задач к выполнению в качестве интерфейса к решателю SINF разработан препроцессор NetSINF (рис. 7). Препроцессор выполнен в виде Java-апплета с привлечением библиотеки автоматического построения графического интерфейса пользователя. При реализации панели задания граничных условий препроцессора NetSINF возникла необходимость использования концепции помощника (master) - диалогового окна, состоящего из взаимосвязанной последовательности страничек ввода необходимой информации. Для. этого библиотека автоматического построения графического интерфейса пользователя была дополнена классами, облегчающими создание помощников.

Для анализа результатов исследований и просмотра полей базы данных калибровочных расчетов разработан постпроцессор NetLeo. Постпроцессор выполнен в виде Java-апплета и может работать как в режиме программной визуализации, так и с привлечением аппаратного ускорения векторной графики на основе библиотеки OpenGL. Постпроцессор NetLeo позволяет строить сечения, формы, карты, векторные поля и изоповерхности. Предусмотрена настройка постпроцессора на разные типы задач визуализации. Дополнительную обработку результатов расчетов и высококачественную визуализацию можно вести, пользуясь входящей в систему программой LEONARDO.

В четвертой главе рассмотрено применение разработанных методик и программных средств на примере задачи моделирования трехмерного течения в каналах, которое представляет интерес при исследованиях вентиляционных систем, в исследованиях течений в кровеносных сосудах и при проектировании системы охлаждения конструктивных элементов энергомашин. Проведение расчетов носило предварительный, тестовый характер.

На этапе предпроектных исследований последней системы требуется численный расчет трехмерного стационарного ламинарного течения несжимаемой жидкости в трехколенном канале квадратного поперечного сечения с двумя 90 градусными поворотами, лежащими в перпендикулярных друг другу плоскостях (рис. 8а). Данная конфигурация может служить моделью для изучения способов интенсификации процесса теплоотвода от лопаток турбин, в маслопроводах и системах вентиляции.

Численное моделирование проводилось в среде разработанной распределенной вычислительной системы на основе решения полных уравнений Навье-Стокса с использованием решателя NetSINF.

При заданных условиях течение определяется числом Рейнольдса и геометрией канала, которая задается радиусами поворотов и расстоянием

между ними. В данной работе принято число Рейнольдса Яе=790, длина входной секции 5 калибров, выходной 3 калибра, радиуса поворотов 1,8 калибра. Расстояние между поворотами варьировалось от 0 до 90 калибров.

Исследование показало достаточно хорошее соответствие результатов моделирования течения в первом повороте известным экспериментальным данным и некоторое улучшение предсказания поведения течения по сравнению с результатами численных расчетов других исследователей (рис. 8б).

Рис. 8 Расчетная сетка канала с вставкой между поворотами в 3 калибра (а) и сравнение расчетных и экспериментальных данных для профиля продольной компоненты скорости и в среднем сечении канала на выходе из первого

поворота (б)

Влияние значительной кривизны первого поворота приводит к уменьшению скорости затухания парного вихря, образовывающегося после прохождения первого поворота, и переносимого вниз по течению. Численный эксперимент показал, что длина участка восстановления полного профиля течения потока после первого поворота может быть оценена величиной порядка 70 калибров, что больше на 15% аналитического результата Хэна в 0.075Яе = 59.3 калибра, экспериментально подтвержденного Филипповым. Это может быть объяснено сильной поперечной завихренностью течении после прохода первого поворота.

Проведенные расчеты для канала с расстоянием 0-5 калибров между поворотами и шагом через 1 калибр показывают сильное взаимное влияние поля давления во втором и в первом повороте, что удается выявить только лишь при тщательном трехмерном моделировании течения.

При отсутствии вставки между поворотами (рис. 9, 10) на выходе из второго поворота (0 калибров) в течении присутствует интенсивный преобладающий вихрь у стенки, соответствующей внутреннему радиусу

первого поворота, и небольшой вихрь у противоположной стенки. Распределение статического давления способствует формированию несимметричного поперечного вихря, что при отсутствии промежуточной вставки ведет к нарастающей интенсификации его вращения. При увеличении расстояния между поворотами течение выравнивается с образованием симметричного парного вихря.

Рис. 9 Траектории отмеченных частиц в канале с двумя ортогональными поворотами (без вставки между ними); а) распределение скоростей в среднем сечении первого поворота; б) распределение статического давления в среднем сечении первого поворота

Проведенные расчеты для канала с расстоянием 10-90 калибров между поворотами и шагом в 10 калибров показывают, что до расстояния между поворотами в 40 калибров преобладание одного вихря сохраняется, но затем это преобладание начинает сходить на нет. После прохождения расстояния в 70 калибров течение устанавливается и к расстоянию в 90 калибров течение во втором повороте становится аналогичным течению в первом повороте, то есть мы имеем симметричный парный вихрь на выходе из второго поворота.

Рис. 10 Распределение статического давления в канале без вставки между поворотами. Показаны карты распределения статического давления на поверхностях, заданных определенным модулем скорости течения

Рис. 11 Распределение статического давления вдоль канала на границах средних плоскостей первого и второго поворотов для случая течения с вставкой в три калибра

При длине вставки между поворотами 3 калибра рассчитана потеря давления (рис. 11), составившая 1.29 (безразмерная величина по pi/,), что на 5% меньше значения, рассчитанного по формулам гидравлики.

Результаты приведенного тестового численного эксперимента позволили выявить зоны, где ожидается образование низкоскоростных и рециркуляционных областей с возможными сопутствующими процессами локальной коррозии и сепарации посторонних включений. Тестовые расчеты показали надежность и высокую предсказуемость использования системы для моделирования сложных трехмерных внутренних течений и были использованы при наполнении базы образцовых расчетов.

Основные результаты работы

1. Предложена структура распределенной вычислительной системы с телекоммуникационным доступом, объединяющая архитектуру клиент-сервер, кластерную вычислительную сеть и открытые графические предметно-ориентированные сетевые средства подготовки и анализа расчетных данных. Создана РИВС моделирования внутренних течений с использованием методов вычислительной гидродинамики с доступом через сеть Internet

2. Разработана методика интеграции решателей в вычислительную систему. В систему включены решатели ABCREAD и NetSINF. Для каждого решателя созданы сетевые средства подготовки и анализа расчетных данных с помощью стандартных графических средств.

3. Предложена модель описания задачи вычислительной гидродинамики в виде древовидного графа метапараметров. На основе этой модели создана библиотека автоматического построения графического интерфейса пользователя.

4. С помощью разработанной системы проведено тестовое численное исследование трехмерных стационарных вихревых течений в каналах с ортогональными поворотами. Результаты моделирования позволили определить структуру течения в длинном канале с двумя ортогональными поворотами и установить изменение характера течения при изменении длины вставки между поворотами. Исследование показало эффективность предложенной вычислительной системы.

Публикации по теме диссертации

1. Горячев В. Д., Балашов М. Е., Кочетовская Е. В., Поздеев И. А., Рыков Д. С, Смирнов Е. М. Программная среда для компьютерного моделирования термоаэродинамических процессов // Труды 2-ой российской национальной конференции по теплообмену, Т.8, Москва, МЭИ, 1998, с. 183-186.

2. Balashov M. E., Goryachev V. D., Pozdeev I. A., Rikov D. S. An interactive distributed environment for CFD research // Тезисы докладов

3-ей международной научной конференции "Математические методы нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах", Тверь, 29.06-03.07, 1998, с. 162.

3. Goryachev V. D., Balashov M. E., Knysh S. V., Rykov D. S., Smimov E.M. Extension ofthe SELIGER computation-information capabilities to solving CFD problems via Internet // CSIT99, Proceedings of 1st International Workshop on Computer Science and Information Technologies, Moscow, 18.01-22.01,1999, pp. 104-110.

4. Горячев В.Д., Рис В. В., Рыков. Д . С , Смирнов Е.М. Информационно-вычислительная система для моделирования термо-гидродинамических процессов на основе Internet-технологий // Научный сервис в сети Интернет: тезисы докладов Всероссийской научной конференции (20-25 сентября 1999 г., г. Новороссийск). -М.: Изд-во МГУ, 1999, с.302-306.

5. Goryachev V. D., Rykov D. S. I&CS2: Informational and Computational System for CFD Researchers // Proceedings of the Workshop on Computer Science and Information Technologies (CSIT'2000), Ufa, September 18-23, 2000. Volume 2 Ufa State Aviation Technical University, 2000, pp. 265-268.

6. Горячев В. Д., Рыков Д. С, Смирнов Е. М. I&CS2 - информационно-вычислительная система, для моделирования методами вычислительной гидродинамики // Научный сервис в сети Интернет: Тезисы докладов Всероссийской научной конференции (18-23 сентября 2000 г., г. Новороссийск). - М.: Изд-во МГУ, 2000, с. 63-64.

7. Левченя А. М., Рыков Д. С. Сетевой интерфейс к солверу SINF для численного моделирования термо-гидродинамических процессов в информационно-вычислительной среде I&CS2 // Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и теплообмена в энергетических установках: Труды XIII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. Том- 1. - М.: Издательство МЭИ, 2001, с. 124-126.

8. Горячев В. Д., Лукашенко А. В., Рыков Д. С, Смирнов Е. М. Вычислительное ядро SINF в ИВС I&CS2 // Научный сервис в сети Интернет: Труды Всероссийской научной конференции (24-29 сентября 2001 г., г. Новороссийск). - М.: Изд-во МГУ, 2001, с. 80-83.

9. Valeri Goriatchev, Mikhail Balachov, Dmitri Rykov Net Informational and Computational System for CFD Researchers // CIE Proceedings of DETC'01, 2001 ASME Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference September 9-12, 2001, Pittsburgh, Pennsylvania, USA, pp. 1-5.

10.Балашов М. Е., Горячев В. Д., Рыков Д. С, Смирнов Е. М. Система численного моделирования гидрогазодинамических процессов с удаленным доступом // RELARN-2001: тезисы докладов VIII

конференции представителей регионов научно-образовательных сетей, Петрозаводск, 1-6 августа; Петр ГУ, 2001; с. 106-109.

11.Балашов М. Е., Горячев В. Д., Лукашенко А. В., Рыков Д. С, Смирнов Е. М. ИВС для решения задач вычислительной гидродинамики с кластерной поддержкой // Научный сервис в сети Интернет: Труды Всероссийской- научной конференции (23-28 сентября 2002 г.; г. Новороссийск). - М.: Изд-во МГУ, 2002, с. 216218.

12.Рыков Д. С. 1&С82 - Распределенная ИВС для вычислительной гидродинамики // Компьютерные технологии в управлении, диагностике и образовании (КТУД0-2002): сборник трудов международной научно-технической конференции, Тверь, Тверской государственный технический университет, 2002, с. 201-204.

13.Горячев В. Д., Балашов М. Е., Лукашенко А.В., Рыков Д. С, Смирнов Е. М. Информационно-вычислительный сервер для моделирования методами вычислительной гидродинамики с кластерной поддержкой // Материалы конференции "РЕЛАРН -2002", секция 3, Высокопроизводительные компьютерные системы и технологии, ИПФ РАН, Нижний Новгород, 2002, с. 4-8.

14.Рыков Д. С. Распределенная информационно-вычислительная система для решения задач вычислительной гидродинамики // Вестник Тверского государственного технического университета: Научный журнал. Тверь: ТГТУ, 2003. Выпуск 2, с. 72-75.

15.Балашов М. Е., Горячев В. Д., Рыков Д. С. Препроцессор для солвера еСРБё // Труды Всероссийской научной конференции "Научный сервис в сети Интернет", Новороссийск, 22-27 сентября 2003 г., Изд. Московского университета, 2003, с. 185-187.

16.Балашов М. Е., Горячев В. Д., Лукашенко А. В., Рыков Д. С, Смирнов Е. М. Информационно-вычислительный сервер для моделирования методами вычислительной гидродинамики с кластерной поддержкой // Материалы конференции "РЕЛАРН -2003", секция 3, Высокопроизводительные компьютерные системы и технологии, ИПФ РАН, С. Петербург, 2003, с.4-8.

Подписано в печать 19.01.04 Физ. печ. л. 1,5 Заказ № 7 Тираж 100 экз. Типография ТГТУ 170026, Тверь, наб. Афанасия Никитина, 22

«.' 22 13

РНБ Русский фонд

2004-4 18132

Введение.

1 Вопросы построения современных ИБС.

1.1 ИВС для решения задач вычислительной гидродинамики, представленные в сети Internet.

1.1.1 ИВС CFDnet.

1.1.2 Еха e-CFD.

1.1.3 PFD NetCFD.

1.1.4 СНАМ Simuserve.

1.2 Организация высокопроизводительных вычислений.

1.2.1 Основные подходы построения кластерных систем.

1.2.2 Программные средства параллельных вычислений.

1.3 Переносимость и расширяемость программных средств.

1.3.1 Программное обеспечение промежуточного слоя.

1.3.2 Системы управления базами данных.

1.3.3 Современные системы пакетной обработки.

1.4 Организация пользовательского интерфейса, пре- и постпроцессор

1.5 Структура РИВС моделирования внутренних течений методами вычислительной гидродинамики.

2 РИВС моделирования внутренних течений методами вычислительной гидродинамики.

2.1 Вычислительный кластер.

2.2 Управляющий сервер.

2.2.1 Менеджер задач.

2.2.2 Клиентская часть менеджера задач.

3 Предметно-ориентированные средства подготовки и анализа расчетных данных РИВС.

3.1 Препроцессор ABCREAD.

3.1.1 Математическая модель решателя ABCREAD.

3.1.2 Графический интерфейс препроцессора ABCREAD.

3.2 Препроцессор ШБШР.

3.2.1 Математическая модель решателя БДОР.

3.2.2 Графический интерфейс препроцессора

3.2.3 Библиотека автоматического построения графического интерфейса пользователя.

3.2.4 Структура базовых классов препроцессора.

3.3 Постпроцессор №1Ьео.

3.4 База данных калибровочных расчетов.

4 Численное исследование стационарных вихревых потоков в трехмерных каналах энергоаппаратов.

Актуальность проблемы. Стадия предпроектных исследований и расчетов является определяющей при разработке современных, сложных по форме и инженерной реализации энергетических устройств, изделий авиа- и судостроения, химических аппаратов, технологическое устройство которых основано на использовании явлений гидродинамического переноса в турбулентных и ламинарных, стационарных и нестационарных, вихревых течениях жидкости или газа. Успехи современной вычислительной гидродинамики позволяют заменить дорогостоящее лабораторное и натурное физическое моделирование. Современные вычислительные методы позволяют получить детальную информацию об сложнейших физических явлениях, а при использовании соответствующих вычислительных ресурсов получить в численном эксперименте результаты, иногда просто невозможные в лабораторной постановке.

Разработка вычислительных систем для САПР соответствует перечню научных направлений, утвержденному Постановлением Правительства РФ № 2727/п-П8 от 21 июля 1996 г., где, в частности, уделяется приоритет работам по темам: "1.6. Системы математического моделирования" и "2.6. Интеллектуальные системы автоматизированного проектирования и управления".

Методы вычислительной гидродинамики характеризуются использованием усложняющихся математических моделей и рациональных методов численного расчета, переходом на моделирование течений в геометрически сложных многосвязных областях самых различных объектов. В настоящее время традиционный подход к изолированному решению отдельных задач, настроенных на конкретные режимы и геометрию аппаратов, (с подбором подходящего численного метода, написанием в каждом случае нового вычислительного кода, его отладкой и проведением расчета в условиях большого выбора трудно предсказуемых значений основных параметров течения и моделей переноса) нерационален и непродуктивен.

В современных проектах создания высоких технологий, процессов и аппаратов, для решения задач гидродинамики, теплообмена, теории упругости и т.п., используются специальные средства моделирования и последующего инженерного анализа, такие, например, как системы Pro/ENGINEER, CATIA, Nastran, Flow-3D. Они получили достаточное распространение в основных индустриальных странах. Однако их использование ограничено, в частности в нашей стране, что связано с высокой стоимостью этих систем, необходимостью наличия у проектировщика высокопроизводительных вычислительных ресурсов и большими затратами на обучение разнородным интерфейсам взаимодействия с этими системами.

В настоящее время наблюдается рост создания информационно-вычислительных систем (ИВС) с телекоммуникационным доступом. Они являются перспективными для компьютерного моделирования самых различных процессов, входящих в перечень критических технологий. Такие ИВС, доступные через сети общего назначения, подобные Internet, становятся корпоративной средой для изучения технологий и решения сложных инженерных задач. Пользователи ИВС, используя открытые предметно-ориентированные графические средства и интерфейсы, формулируют в их среде задачи, направляют их на выполнение на доступные вычислительные ресурсы, проводят анализ полученных результатов. Удаленность пользователей и возможность конфигурации территориально удаленных вычислительных ресурсов обуславливают распределенный характер таких систем.

Наличие мощного вычислительного ядра в ИВС соответствует классу решаемых задач. В мире используются решатели задач вычислительной гидродинамики разной мощности и универсализма - Fluent, STAR-CD, CFX, PHOENICS. Среди отечественных вычислительных кодов, используемых для численного моделирования в гидродинамике, можно отметить не уступающие мировым аналогам программы Б1ЫР, ЕБТТАС, АегоБЬаре-ЗО, ОаБОупаггисзТооК До последнего времени их использование было ограничено рамками разработавших их научных коллективов. В первую очередь это связано с отсутствием интуитивно понятных графических средств подготовки и анализа расчетных данных и недостаточным уровнем сопроводительной документации к системам. Такие решатели могут использоваться в качестве вычислительных ядер создаваемых сетевых вычислительных систем при условии разработки специальных предметно-ориентированных графических средств взаимодействия клиентов с вычислительными ядрами систем.

Современные вычислительные сети с выходом на вычислительные кластеры могут обеспечить расчетчиков необходимыми вычислительными ресурсами с возможностью применения недорогих рабочих станций, соединенных в локальные сети, для достижения необходимой производительности. При создании специализированных ИВС необходимо учитывать особенности решения задач вычислительной гидродинамики, позволяющих использование вычислительной сети либо в режиме большого потока задач, характерного для решения параметрических задач, либо в режиме распараллеливания по геометрическим блокам для решения больших задач в геометрически многосвязных областях с большим объемом данных. Необходимо также учитывать возможное продолжительное время отдельных вычислений, что определяет сеансовый режим работы с вычислительным ядром системы, с архивацией промежуточных данных, и с контролем прохождения задач, при непостоянном физическом подключении к вычислительном ресурсам.

Целью диссертационной работы является создание систем, позволяющих повысить эффективность автоматизации предпроектных исследований сложных термогидродинамических процессов. Исследование особенностей технологий предлагается проводить с использованием методов вычислительной гидродинамики, используемых в САПР промышленных изделий в энергетике, в авиа- и судостроении, и других областях, везде, где требуется подробное моделирование явлений переноса в турбулентных и ламинарных, стационарных и нестационарных, вихревых течениях жидкости или газа. По своему классу решаемые задачи относятся к задачам внутренней гидродинамики.

В соответствии с указанной целью определены следующие задачи исследования:

1. провести анализ существующих вычислительных систем с телекоммуникационным доступом, используемых для решения задач вычислительной гидродинамики, а также программного обеспечения, предназначенного для построения подобных открытых информационных систем;

2. разработать структуру распределенной информационно-вычислительной системы (РИВС) моделирования двух- и трехмерных, стационарных и нестационарных, ламинарных и турбулентных течений с телекоммуникационным доступом к вычислительным ядрам;

3. создать РИВС моделирования сложных внутренних течений с использованием перспективных методов вычислительной гидродинамики; разработать открытое программное обеспечение для подготовки данных и анализа результатов расчетов; интегрировать в вычислительное ядро системы решатели ABCREAD и NetSINF; обеспечить доступ к системе через сеть Internet;

4. провести численное исследование стационарных вихревых течений, формируемых в трехмерных каналах (используемых при охлаждении узлов энергетических устройств, применяемых в вентиляционных системах) с помощью разработанной системы; использовать результаты при тестировании вычислительного ядра и создания библиотеки образцовых течений в каналах, кавернах, индуцированных различными силами.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа, элементы теории систем автоматизированного проектирования, теории проектирования баз данных, методы объектно-ориентированного программирования, методы решения задач вычислительной гидродинамики.

Научная новизна. Соискателем получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. предложена новая структура распределенной вычислительной системы с телекоммуникационным доступом, объединяющая архитектуру клиент-сервер, кластерную вычислительную сеть и открытые предметно-ориентированные сетевые средства подготовки и анализа расчетных данных, позволяющая создать РИВС моделирования двухмерных и трехмерных внутренних течений с доступом через сеть Internet;

2. разработана методика интеграции решателей в вычислительное ядро системы, позволяющая адаптивно добавлять в систему новые решатели без изменения программного обеспечения системы;

3. создана авторская библиотека расширяемого программного обеспечения, используемая для быстрой разработки и адаптации к добавляемым решателям соответствующих сетевых предметно-ориентированных графических средств подготовки и анализа расчетных данных;

4. предложена модель описания внутренних задач вычислительной гидродинамики на основе древовидного графа метапараметров, позволяющая создавать библиотеку автоматического построения графического интерфейса пользователя.

На защиту выносятся:

1. РИВС численного моделирования внутренних двух- и трехмерных течений жидкости и газа с доступом через сеть Internet; разработанная структура, модель классов и реляционная модель хранения данных вычислительной системы;

2. методика интеграции решателей в вычислительную систему; открытое программное обеспечение графических предметно-ориентированных сетевых средств подготовки и анализа расчетных данных и контроля вычислений;

3. модель описания внутренних задач вычислительной гидродинамики на основе древовидного графа метапараметров; библиотека автоматического построения графического интерфейса пользователя.

Практическая ценность и реализация работы. На основе разработанных в диссертации положений создана РИВС моделирования внутренних течений жидкости и газа, используя которую, можно проводить моделирование сложных вихревых течений на основе современных методов вычислительной гидродинамики. Разработанная вычислительная система доступна в сети Internet (http://seliger.tversu.ru). РИВС содержит вычислительные ресурсы для решения термогидродинамических задач, базу данных калибровочных расчетов (регистрационный номер государственного регистра баз данных - № 0229805158). Создана библиотека автоматического построения графического интерфейса пользователя. В вычислительную систему интегрированы решатели ABCREAD и SINF. Для каждого решателя разработаны сетевые предметно-ориентированные графические средства подготовки и анализа расчетных данных.

Тестовое численное исследование трехмерных стационарных вихревых потоков в трехмерных каналах показало эффективность предложенной вычислительной системы. Тестовое исследование позволило уточнить параметры течения в каналах с двумя ортогональными поворотами, а также установить изменение характера течения при изменении длины вставки между поворотами. В расчете потеря давления для вставки длиной 3 калибра составила 1.29, что на 5% меньше значения, рассчитанного по формулам гидравлики. Длина участка полного наполнения скоростного профиля потока после первого поворота была определена как величина порядка 70 калибров, что больше результата, полученного на основе классических аналитических расчетов на 15%, и хорошо согласуется с наблюдаемыми значениями. Результаты моделирования некоторых типов внутренних течений систематизированы и внесены в базу данных образцовых расчетов.

Вычислительная система используется в ТГТУ и СПбГТУ для проведения численных исследований в области гидродинамики. Работа по созданию РИВС проводилась при поддержке РФФИ (гранты № 99-07-90103, № 02-07-90049). Полученные результаты и разработанная РИВС могут быть использованы для построения систем автоматизации предпроектных исследований в различных областях промышленности, везде, где требуется подробное моделирование явлений переноса в турбулентных и ламинарных, стационарных и нестационарных вихревых течениях жидкости или газа.

Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты работы докладывались: на 2-ой российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1998), на 3-ей международной научной конференции "Математические методы нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах" (Тверь, 1998). Работа представлялась на International Workshop on Computer Science and Information Technologies (Москва-Уфа, 1999, 2000), на всероссийскую научную конференцию "Научный сервис в сети Интернет" (Новороссийск, 1999-2003), её результаты обсуждались на конференции представителей региональных научно-образовательных сетей "RELARN" (Петрозаводск-Н.Новгород-С.-Петербург, 2001-2003), на XIII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН

А.И. Леонтьева "Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и теплообмена в энергетических установках" (С.-Петербург, 2001), на международной научно-технической конференции "Компьютерные технологии в управлении, диагностике и образовании" (Тверь, 2002). Результаты работы были представлены и получили одобрение на специализированной международной конференции в США: ASME Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference (Питтсбург, 2001).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 16-ти печатных работах [111-126].

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 132 страницах, и списка литературы, включающего 135 наименований.

Заключение

1. Предложена структура распределенной вычислительной системы с телекоммуникационным доступом, объединяющая архитектуру клиент-сервер, кластерную вычислительную сеть и открытые графические предметно-ориентированные сетевые средства подготовки и анализа расчетных данных. Создана РИВС моделирования внутренних течений с использованием методов вычислительной гидродинамики с доступом через сеть Internet.

2. Разработана методика интеграции решателей в вычислительную систему. В систему включены решатели ABCREAD и NetSINF. Для каждого решателя созданы сетевые средства подготовки и анализа расчетных данных с помощью стандартных графических средств.

3. Предложена модель описания задачи вычислительной гидродинамики в виде древовидного графа метапараметров. На основе этой модели создана библиотека автоматического построения графического интерфейса пользователя.

4. С помощью разработанной системы проведено тестовое численное исследование трехмерных стационарных вихревых течений в каналах с ортогональными поворотами. Результаты моделирования позволили определить структуру течения в длинном канале с двумя ортогональными поворотами и установить изменение характера течения при изменении длины вставки между поворотами. Исследование показало эффективность предложенной вычислительной системы.

1. Introduction to Computational Fluid Dynamics http://www.cham.co.uk/website/new/cfdintro.htm.

2. Fluent Software http://www.fluent.com/software/index.htm.

3. CFX Computational Fluid Dynamics Software & Services -http://www.software.aeat.com/cfx.

4. CFD Research Corporation http://www.cfdrc.com.

5. CD adapco Group http://www.cd-adapco.com.

6. FL0W-3D http://www.flow3d.com/flow3d.htm.

7. Flomerics, Design Class Analysis Software http://www.flomerics.com.

8. Livermore Software Technology Corp. http://www.lstc.com.

9. CHAM Ltd. http://www.cham.co.uk.lO.Softflo Home http://www.softflo.com.

10. MOUSE http://fire8.vug.uni-duisburg.de/M0USE.

11. CLAWPACK http://www.netlib.org/pdes/claw.

12. Oak Ridge National Laboratory http://www.ornl.gov.

13. Hagemann, G., Schley, C.-A., Odintsov E. and Sobatchkine A. Nozzle Flowfield Analysis with Particular Regard to 3D-Plug-Cluster Configurations, July, 1996, AIAA-96-2954.

14. CFDnet Computational Fluid Dynamics on the Internet -http://www.cfdnet.com.

15. Ham F.E, Militzer J. and Bemilca A. CFDnet: Computational Fluid Dynamics on the Internet. Presented at the C2E2 Conference held in Halifax, NS, Canada in July 1998.

16. Militzer J. and Ham F.E. CFDnet: Teaching Fluid Dynamics over the Internet. Published in the Bulletin of the CFD Society of Canada, № 12, Spring 2000.

17. Militzer J. and Bell T.A. CFDnet: Recent Developments and Future Work. Presented at CFD 2001, Kitchener-Waterloo, Canada, May 27-29 2001.

18. Militzer J., Ham F.E. and Bell T.A. CFDnet: A Tool for Teaching Fluid Dynamics over the Internet. Presented at the TICE 2000, Troyes, France, October 18-20 2000.

19. Exa e-CFD Access to CFD via the WWW http://www.e-cfd.com.

20. Waterman P.J. CFD Over The Web. Desktop Engineering. 2001. Vol. 6, №11.25.NetCFD http://www.pfd.ie.

21. Simuserve homepage http://www.simuserve.com.

22. Spalding B. Computational Fluid Dynamics on the Internet. EUROTEX Workshop on Internet- and Web-based Computing, Dallas, USA, April 13 1999.

23. Немнюгин C.A., Стесик O.JI. Параллельное программирование для многопроцессорных вычислительных систем. СПб.: БХВ-Петербург, 2002.

24. Учебно-информационный центр по параллельным вычислениям -http://www.parallel.ru.

25. Bucchignani E., Iaccarino G.A. Comparison Between Domain Decomposition And Fully Implicit Approaches For A Parallel 3D Upwind Flow Solver // Advances in High Performance Computing, Nato ASI Series, Vol. 30, Kluwer Academic Publishers, June 1997.

26. Deshpande M., Feng J., Merkle C.L., Deshpande A. Implementation of a Parallel Algorithm on a Distributed Network http://cs- . www.cs.yale.edu/homes/deshpande/PostScript/reno93.ps.

27. Knight D.D. Parallel Computing in Computational Fluid Dynamics // AGARD Symposium on Progress and Challenges in CFD Methods and Algorithms, Seville, Spain, October 1995.

28. Karamanos G-S, Evangelinos C., Boes R.C., Kirby R.M., Karniadakis G.E. Direct Numerical Simulation of Turbulence with a PC/Linux Cluster: Fact or Fiction? // Proceedings of SuperComputing 1999, Portland, OR, November 1999.

29. Андреев А., Воеводин В., Жуматий С. Кластеры и суперкомпьютеры близнецы или братья? // «Открытые системы», 2000, №5-6.

30. The Beowulf Cluster Site http://www.beowulf.org.

31. Loki Commodity Parallel Processing - http://loki-www.lanl.gov.

32. Вычислительный кластер НИВЦ МГУ http://parallel.ru/cluster/index.html.

33. Avalon http://cnls.lanl.gov/avalon.

34. Computational Plant http://www.cs.sandia.gov/cplant.

35. ИВВиБД "Паритет" http://www.csa.ru/CSA/MICRO/mikrol.htmr43.theHIVE http://newton.gsfc.nasa.gov/thehive.

36. AC3 Velocity http://www.tc.cornell.edu.

37. High Performance Fortran (HPF) http://www.crpc.rice.edu/HPFF46.0penMP http://www.openmp.org.

38. PVM: Parallel Virtual Machine http://www.epm.ornl.gov/pvrn.

39. Message Passing Interface Forum http://www.mpi-forum.org.

40. Linda http://www.cs.yale.edu/HTML/YALE/CS/Linda/linda.html.

41. DVM-CHCTeMa http://www.keldysh.ru/pages/dvm.

42. The mpC Parallel Programming Environment http://www.ispras.ru/~mpc.

43. Технология параллельного программирования «Норма» http://www.parallel.ru/tech/norma.

44. The Occam archive http://www.afm.sbu.ac.uk/occam.

45. Erlang http://www.ericsson.com.

46. MPICH A Portable Implementation of MPI - http://www-unix.mcs.anl.gov/mpi/mpich.

47. LAM / MPI Parallel Computing http://www.lam-mpi.org.

48. КОНОНОВ А., Кузнецов E. Онтология распределенных прикладных систем. // «Открытые системы», 2002, №11.

49. Дубова Н. Все про промежуточное ПО // «Открытые системы», 1999, №7-8.

50. Кононов А., Кузнецов Е. Онтология промежуточного ПО. // «Открытые системы», 2002, №3.

51. Common Object Request Broker Architecture (CORBA/IIOP) -http://www.omg.org/technology/documents/formal/corbaiiop.htm.

52. Microsoft COM Technologies http://www.microsoft.com/com.

53. C706 DCE 1.1: Remote Procedure Call 8/1997 http://www.opengroup.org/products/publications/catalog/c706.htm.

54. Java Remote Method Invocation http://java.sun.com/products/jdk/rmi/index.html.

55. W3C SOAP http://www.w3.org/2002/ws.

56. Extensible Markup Language http://www.w3.org/XML.

57. RFC 2616: Hypertext Transfer Protocol -- HTTP/1.1 -http://www.w3.org/Protocols/rfc2616/rfc2616.txt.

58. Дейт К.Дж. Введение в системы баз данных, 6-е издание: Пер. с англ. К.; М.; СПб.: Издательский дом «Вильяме», 2000.

59. Кузнецов С.Д. Основы современных баз данных http://www.citforum.ru/database/osbd/contents.shtml.

60. Codd E.F. A Relational Model of Data for Large Shared Data Banks // CACM.- 1970. 13, N6.

61. Веселов В., Долженков А. Опыт построения XML-СУБД // «Открытые Системы», 2002, №6.

62. Коваленко В., Коваленко Е. Пакетная обработка заданий в компьютерных сетях // «Открытые системы», 2000, № 7-8.72.distributed.net: Node Zero http://www.distributed.net.

63. SETI@home: Search for Extraterrestrial Intelligence at homehttp://www.setiathome.ssl.berkeley.edu.

64. The Globus Project http://www.globus.org.

65. Воеводин В., Филамофитский M. Суперкомпьютер на выходные // «Открытые системы», 2003, № 5.

66. Фостер Я., Кессельман К., Ник Д., Тьюке С. Grid-службы для интеграции распределенных систем // «Открытые системы», 2003, №1.

67. Волченков Е. Стандартизация пользовательского интерфейса // «Открытые системы», 2002, № 4.

68. Донской М. Пользовательский интерфейс // PC Magazine Russian Edition, CK Пресс, 1996,№ 10.

69. Вольфенгаген В.Э., Калиниченко J1.A., Мендкович А.С., Сюнтюренко О.В. и др. Информационные системы и научные телекоммуникации // «Вестник РФФИ», 1998, № 4(14).

70. Linpack http://www.netlib.org/linpack.

71. HPL A Portable Implementation of the High-Performance Linpack Benchmark for Distributed-Memory Computers http://www.netlib.org/benchmark/hpl.

72. Ferziger J.H., Peric M. Computational Methods for Fluid Dynamics. -Springer-Verlag, 1999.

73. Госмен А.Д., Пан B.M., Ранчел A.K., Сполдинг Д.Б., Вольфштейн M. Численные методы исследования течений вязкой жидкости. М.: «Мир», 1972.

74. Якубов С.А. Параллелизация вычислений при решении задач гидродинамики на декартовых и криволинейных многоблочных сетках // Магистерская диссертация, кафедра гидроаэродинамики СПбГТУ, Санкт-Петербург, 2002.

75. Thompson J.F., Warsi Z.U., Maslin C.W. Numerical grid generation foundations and applications. North-Holl, 1985.

76. Filipiak M. Mesh Generation // Technology watch report, EPCC, The University of Edinburgh, 1996.

77. UML Resource page http://www.omg.org/uml.

78. Смирнов Е.М. Краткое руководство по пользованию программой FRACADM // СПбГТУ, Санкт-Петербург, 1998.

79. Кныш С.В. Создание и тестирование пользовательского интерфейса для решения многопараметрических двумерных задач течений вязкой жидкости в полях массовых сил // Диплом, кафедра гидроаэродинамики СПбГТУ, Санкт-Петербург, 1997.

80. Крупкина М.Г. Эволюционные и бифуркационные свойства ламинарного течения в цилиндрических областях конечной протяженности при вращении одной из стенок // Магистерская диссертация, кафедра гидроаэродинамики СПбГТУ, Санкт-Петербург, 1998.

81. Смирнов Е.М. Описание гидродинамического решателя SFINKS 1.0 //СПбГТУ, Санкт-Петербург, 1995.

82. Грушин С.С. Прямое численное моделирование трехмерной термоконвекции и переноса примеси во вращающемся горизонтальном слое, подогреваемом снизу // Магистерская диссертация, кафедра гидроаэродинамики СПбГТУ, Санкт-Петербург, 2000.

83. Ris V.V., Smirnov Е.М., Zajtsev D.K. Computations of three-dimensional turbulent flow within a complex geometry domain related to the coal-fired furnace of the boiler OP-215 // Polytechenergo Ltd., Saint-Petersburg, 1995.

84. Red Hat Linux, Embedded Linux and Open Source Solutions -http://www.redhat.com.

85. NIS/YP http://www.freebsd.org.ru/handbook/nis.html.

86. NFS http://www.freebsd.org.ru/handbook/nfs.html.

87. OpenSSH http://www.openssh.com.

88. Portable Batch System http://www.openpbs.org.

89. PuTTY: A Free Win32 Telnet/SSH Client http://www.chiark.greenend.org.uk/~sgtatham/putty.

90. The Apache HTTP Server Project http://httpd.apache.org.

91. PostgreSQL http://www.postgresql.org.

92. Netscape http://www.netscape.com.

93. Opera Software http://www.opera.com.

94. Internet Explorer Home Page http://www.microsoft.com/ie.108. alphaWorks: RMI for IE4 http://www.alphaworks.ibm.com/tech/rmi.

95. MS RMI support for Internet Explorer ftp://ftp.microsoft.com/developr/msdn/unsup-ed/rmi.zip.

96. Балашов M.E. Препроцессор для информационно-вычислительной системы решения задач вычислительной гидродинамики // Вестник Тверского государственного технического университета: Научный журнал. Тверь: ТГТУ, 2003. Выпуск 2.

97. Горячев В.Д., Лукашенко A.B., Рыков Д.С., Смирнов Е.М. Вычислительное ядро SINF в ИВС I&CS2 // Научный сервис в сети Интернет: Труды Всероссийской научной конференции (24-29чсентября 2001 г., г. Новороссийск). М.: Изд-во МГУ, 2001, с. 80-83.

98. Рыков Д.С. Распределенная информационно-вычислительная система для решения задач вычислительной гидродинамики // Вестник Тверского государственного технического университета: Научный журнал. Тверь: ТГТУ, 2003. Выпуск 2, с. 72-75.

99. Горячев В.Д. Информационно-вычислительные методы в задачах математического моделирования аэротермодинамических процессов в энерготехнологическом оборудовании // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, Тверь, 1997.

100. By M., Нейдер Д., Девис Т., Шрайнер Д. OpenGL: Официальное руководство программиста. М.:Диасофт, 2002.

101. Humphrey J.A.C., Taylor A.M.K., Whitelaw, J.H. Laminar flow in a square duct of strong curvature, J. Fluid Mech., 83, pt. 3, pp. 509-527.

102. Rogers S.E., Kwak D., Kiris C. Steady and unsteady solutions of the incompressible Navier-Stokes equations, AIAA Journal, 29, pp. 603-610.

103. Yeo R.W., Wood P.E., Hrymak A.N. A numerical study of laminar 90-degree bend duct flow with different discretization schemes, J. Fluids Eng., 113, pp. 563-568.

104. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975.