Пакет прикладных программ GAS DYNAMICS TOOL и его применение в задачах численного моделирования газодинамических процессов

Несмотря на большой прогресс в численных методах и в вычислительной технике (а может быть именно поэтому), сложность задач, выдвигаемых практикой, такова, что их решение в значительной степени является искусством.

Эти заключительные слова из книги «Численное решение многомерных задач газовой динамики» под редакцией С. К. Годунова [118] написаны более четверти века назад. По сравнению со временем развития численных методов интервал значительный. В то время еще не было персональных компьютеров и программы носили не на компакт дисках, а в портфеле в пачках перфокарт. А писали эти программы не на С++, а в машинных кодах.

Но несмотря на столь разные условия в создании средств интегрирования нелинейных систем газовой динамики тогда и сейчас, эти слова не потеряли актуальность.

Сотни и сотни исследователей и коллективов в мире посвятили свою деятельность разработке программных средств для моделирования газодинамических процессов. Это объясняется той огромной ролью, которую газодинамические явления играют в жизни человека. Работа двигателей внутреннего сгорания и реактивных двигателей, полеты самолетов, динамика атмосферы, дыхание человека и т. д. и т. д. Для большинства этих явлений численное моделирование — наиболее информативное средство изучения.

Создание пакета прикладных программ весьма трудоемкое занятие. Как правило, необходимо несколько лет для написания кода и его тщательного тестирования. Требуются месяцы и годы для проведения численных экспериментов, корректировки физико-математических моделей, повторного тестирования и т. д. При этом решение каждой частной задачи требует учета своих нюансов.

И исследователи снова и снова проходят этот тернистый путь. При этом каждый повторяет приблизительно 90 процентов ошибок предшественника и повторяет столько же действий по их преодолению.

Возникает естественная мысль объединить усилия в создании компьютерных кодов, по крайней мере на базе нескольких основных подходов, создать некоторую стандартную основу, на которую можно было бы «навешивать подвесные орудия» в виде дополнительных моделей, например, турбулентности или горения. В первую очередь для этого необходимо создать эффективный солвер для уравнений Эйлера В качестве первого шага для подобного проекта может стать создание универсального пакета, способного моделировать газодинамические явления в широком диапазоне физико-математических моделей, начальных и граничных условий. Разработка подобного пакета позволит значительно сократить затраты на проведение экспериментальных исследований и на повторение аналогичных разработок другими инженерами и учеными.

Данная диссертационная работа посвящена разработке универсального пакета прикладных программ GasDynamicsTool и завершает 12-летний период по его созданию.

Проект разрабатывается с 1989 года. Изначально он был предназначен для моделирования нелинейных процессов при истечении газов в затопленное пространство, при наличии в области течения тел со сложной (произвольной) конфигурацией. Пакет был реализован на языке FORTRAN и использовался на машинах типа ЕС-1060. В последствии, проект значительно расширился и появилась реальная возможность его более интенсивного применения в различных приложениях. К 1992 г. была создана первая версия программы (версия 2.36, [54]) предназначенная для использования на персональном компьютере с операционной средой DOS. Эта программа требовала минимальной подготовки пользователя и была способна решать широкий круг задач для нестационарных течений системы невязких сжимаемых газов на основе интегрирования уравнений Эйлера методом крупных частиц [8, 9], который является развитием метода частиц в ячейках Ф. Харлоу. Максимальная сетка для программы составляла 16 000 ячеек. Данное ограничение было связано с организацией работы с памятью в операционной системе DOS и аппаратной базой компьютеров того времени. Программа GDT 2.36 имела хорошо развитый графический интерфейс пользователя, написанный на языке MODULA 2, некоторые характерные черты которого сохранились в последующих версиях. Версия 2.36 была завершена и протестирована в декабре 1992 г.

С появлением 32-разрядных операционных систем открылись новые возможности для развития проекта. Практически были сняты ограничения по памяти, существенно увеличилось быстродействие, а с появление 64-разрядных процессоров необходимость в создании принципиально новой версии стала очевидной.

В 1996 г. была создана первая 32-битная версия GDT (версия 3.0, язык BORLAND С++, компилятор 5.01, [66, 67]), в которой были сняты ограничения на количество расчетных ячеек, реализован алгоритм решения уравнений Навье-Стокса [63] с учетом теплопроводности, и диффузии, в схему введен механизм учета химических реакций в газах, что открыло возможность изучения таких практически важных явлений как горение и детонация, введена возможность учета воздействия гравитационных или массовых сил. В феврале 2000 г. была завершена разработка 4-й версии пакета [56]. Она включила серию принципиально новых разработок. Была реализована система трехмерной визуализации на основе применения технологии воксельной графики, разработана развитая технология импорта геометрических объектов из стандартных графических форматов (STEP), разработан солвер для решения многофазных задач в односкоростном приближении [55, 57, 59, 62], существенно улучшен блок граничных условий и сделан ряд других существенных улучшений кода и интерфейса.

В настоящее время программа GDT реализована для нескольких операционных систем — DOS, Windows 95 / 98 / 2000 и Windows NT, и имеет возможность рассчитывать области в десятки миллионов ячеек при весьма умеренных требованиях к характеристикам компьютеров, что очень важно для использования на отечественных предприятиях, как правило, имеющих в качестве компьютерной базы персональные машины.

Автор надеется, что проведенная им работа будет полезна для инженеров, ученых, студентов и исследователей в различных отраслях науки и производства, в которых процессы газовой динамики играют существенную роль.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ, АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Разработан и протестирован высокоэффективный код для интегрирования многомерных нелинейных нестационарных задач газовой динамики с учетом многокомпонентности, многофазности, вязкости, теплопроводности, диффузии и химических реакций. Программный код реализован в двумерной (плоской и осесиметричной) и трехмерной постановках. Программа имеет развитый интерфейс пользователя, позволяющий легко вводить, изменять и просматривать конфигурацию решаемых задач, проводить численное моделирование разнообразных газодинамических явлений. Впервые применена технология трехмерной воксельной графики для визуализации газодинамических процессов во внутренних областях течения, основанная на использовании полупрозрачных цветовых шкал.

2. Проанализирован класс околодульных газодинамических процессов при наличии в области течения подвижных и неподвижных тел со сложной трехмерной геометрией.

3. Разработана физико-математическая модель для численного моделирования параметров взрыва конденсированных ВВ и топливно-воздушных смесей в многомерных объемах произвольной конфигурации. Модель позволяет вводить исходные характеристики различных конденсированных и низкоплотных ВВ, а также топливно-воздушных смесей для исследования параметров взрыва (при идеальной детонации энергоносителя). На основании анализа теоретических и экспериментальных данных, определяющих свойства и параметры действия низкоплотных ВВ, КВВ и ТВС, показано, что разработанная модель адекватно описывает поведение нелинейных систем в условиях высокоградиентных течений и позволяет с высокой степенью точности прогнозировать результаты натурных экспериментов.

4. Разработаны физико-математическая модель и компьютерный код для численного моделирования двумерных и трехмерных процессов, генерируемых при детонации многокомпонентных энергоносителей, содержащих твердую фазу (алюминиевые частицы). Модель позволяет вводить исходные характеристики, определяющие процесс горения алюминиевых частиц за фронтом детонационной волны в односкоростном приближении для исследования параметров взрыва в атмосферном воздухе или областях топливовоздушных смесей, полностью заполняющих объем либо имеющих другую (произвольную, множественную) геометрию. Модель адекватно описывает сложные нестационарные ударноволновые процессы, возникающие при взрыве многофазных систем в двумерных и трехмерных постановках, что подтверждается многочисленными тестовыми задачами.

5. На примерах применения пакета GasDynamicsTool к решению широкого спектра задач прикладной газовой динамики продемонстрирована универсальность программного кода и его высокая эффективность, позволяющая существенно ускорить исследования во многих отраслях газовой динамики, и поднять их на более высокий качественный уровень.