DOI: https://doi.org/10.26089/NumMet.v22r103

Моделирование газовой динамики гиперзвуковых летательных аппаратов с использованием модели высокотемпературного воздуха и графических процессоров

Авторы

  • К.Н. Волков
  • Ю.В. Добров
  • А.Г. Карпенко
  • С.И. Мальковский
  • А.А. Сорокин

Ключевые слова:

волнолет
гиперзвуковая аэродинамика
физико-химические процессы
вычислительная газовая динамика
графический процессор
ускорение

Аннотация

Проводится численное моделирование обтекания гиперзвукового летательного аппарата с использованием модели высокотемпературного воздуха и гибридной архитектуры на основе высокопроизводительных графических процессорных устройств. Расчеты проводятся на основе уравнений Эйлера, для дискретизации которых применяется метод конечных объемов на неструктурированных сетках. Приводятся результаты исследования эффективности расчета гиперзвуковых течений газа на графических процессорах. Обсуждается время счета, достигнутое при использовании моделей совершенного и реального газа.

Загрузки

Опубликован

2021-03-04

Выпуск

Том 22 (2021): Выпуск 1.

Раздел

Методы и алгоритмы вычислительной математики и их приложения

Авторы

К.Н. Волков

Балтийский государственный технический университет «Военмех» имени Д.Ф. Устинова,
факультет ракетно-космической техники
1-я Красноармейская ул., 1, 190005, Санкт-Петербург
• ведущий научный сотрудник

Ю.В. Добров

Санкт-Петербургский государственный университет
, математико-механический факультет
Университетский проспект, 28, 198504, Старый Петергоф, Санкт-Петербург
• аспирант

А.Г. Карпенко

Санкт-Петербургский государственный университет
, математико-механический факультет
Университетский проспект, 28, 198504, Старый Петергоф, Санкт-Петербург
• доцент

С.И. Мальковский

Вычислительный Центр Дальневосточного отделения Российской академии наук,
ул. Ким Ю Чена, д. 65, 680000, Хабаровск
• научный сотрудник

А.А. Сорокин

Вычислительный Центр Дальневосточного отделения Российской академии наук,
ул. Ким Ю Чена, д. 65, 680000, Хабаровск
• главный научный сотрудник

Библиографические ссылки

  1. R. K. Seleznev, “Overview of Scramjet Creation,” Fiz.-Khim. Kinetika Gaz. Dinam.
    http://chemphys.edu.ru/issues/2014-15-3/articles/228/. Cited January 21, 2021.
  2. M. L. Rasmussen, M. C. Jischke, and D. C. Daniel, “Experimental Forces and Moments on Cone-Derived Waveriders for M∞ = 3 to 5,” J. Spacecr. Rockets 19 (6), 592-598 (1982).
  3. K. N. Volkov, V. N. Emelyanov, and A. G. Karpenko, “Numerical Simulation of Gas Dynamic and Physical-Chemical Processes in Hypersonic Flows Past Bodies,” Vychisl. Metody Programm. 18, 387-405 (2017).
  4. D. Sziroczak and H. Smith, “A Review of Design Issues Specific to Hypersonic Flight Vehicles,” Prog. Aerosp. Sci. 84, 1-28 (2016).
  5. K. Kontogiannis, A. Sóbester, and N. Taylor, “Waverider Design Based on Three-Dimensional Leading Edge Shapes,” J. Aircr. 54 (2017).
    doi 10.2514/1.C034358
  6. L. D. Huebner, K. E. Rock, E. G. Ruf, et al., “Hyper-X Flight Engine Ground Testing for Flight Risk Reduction,” J. Spacecr. Rockets 38 (6), 844-852 (2001).
  7. D. E. Reubush, L. T. Nguyen, and V. L. Rausch, “Review of X-43A Return to Flight Activities and Current Status,” AIAA Paper 2003-7085 (2003).
    doi 10.2514/6.2003-7085
  8. M. Mirmirani, C. Wu, A. Clark, et al., “Airbreathing Hypersonic Flight Vehicle Modeling and Control, Review, Challenges, and a CFD-Based Example,” in Proc. Workshop on Modeling and Control of Complex Systems, Ayia Napa, Cyprus, June 30-July 1, 2005 (CD ROM Proceedings, 15 pp.).
  9. P. Silvestrov and S. Surzhikov, “Calculation of Aerothermodynamics for High-Speed Aircraft X-43 Using Computer Code UST3D and UST3D-AUSMPW,” Fiz.-Khim. Kinetika Gaz. Dinam.
    http://chemphys.edu.ru/issues/2019-20-4/articles/865/. Cited January 21, 2021.
  10. A. V. Vaganov, S. M. Drozdov, and A. P. Kosykh, “Numerical Simulation of Aerodynamics of Winged Re-Entry Space Vehicle,” Uchen. Zap. TsAGI 40 (2), 3-15 (2009) [TsAGI Sci. J. 40 (2), 131-149 (2009)].
  11. I. V. Egorov, A. V. Novikov, and A. V. Fedorov, “Direct Numerical Simulation of the Laminar–Turbulent Transition at Hypersonic Flow Speeds on a Supercomputer,” Zh. Vychisl. Mat. Mat. Fiz. 57 (8), 1347-1376 (2017) [Comput. Math. Math. Phys. 57 (8), 1335-1359 (2017)].
  12. A. L. Zheleznyakova and S. T. Surzhikov, “Calculation of a Hypersonic Flow over Bodies of Complex Configuration on Unstructured Tetrahedral Meshes Using the AUSM Scheme,” Teplofiz. Vys. Temp. 52 (2), 283-293 (2014) [High Temp. 52 (2), 271-281 (2014)].
  13. J. G. Jones, K. C. Moore, J. Pike, and P. L. Roe, “A Method for Designing Lifting Configurations for High Supersonic Speeds, Using Axisymmetric Flow Fields,” Ing. Arch. 37 (1), 56-72 (1968).
  14. J. G. Jones and B. A. Woods, The design of Compression Surfaces for High Supersonic Speeds Using Conical Flow Fields , Reports and Memoranda No. 3539 (Aeronautical Research Council, London, 1963).
  15. J. Pike, On Conical Waveriders , Technical Report No. TR70090 (Royal Aircraft Establishment, Bedford, 1970).
  16. V. I. Voronin and A. I. Shvets, “Waveriders Constructed on Flows Following Shock Waves in the Form of Elliptical Cones,” Zh. Prikl. Mekh. Tekh. Fiz. 35 (3), 81-87 (1994) [J. Appl. Mech. Tech. Phys. 35 (3), 396-400 (1994)].
  17. D. Yatsukhno, “Computational Study of the Different Waverider Configurations Aerodynamics,” Fiz.-Khim. Kinetika Gaz. Dinam.
    http://chemphys.edu.ru/issues/2020-21-1/articles/881/. Cited January 21, 2021.
  18. B. Xu and Z. Shi, “An Overview on Flight Dynamics and Control Approaches for Hypersonic Vehicles,” Sci. China Inf. Sci. 58, 1-19 (2015).
  19. T. Brandvik and G. Pullan, “Acceleration of a 3D Euler Solver Using Commodity Graphics Hardware,” AIAA Paper 2008–607 (2008).
    doi 10.2514/6.2008-607
  20. E. Elsen, P. LeGresley, and E. Darve, “Large Calculation of the Flow over a Hypersonic Vehicle Using a GPU,” J. Comput. Phys. 227 (24), 10148-10161 (2008).}
  21. F. Bonelli, M. Tuttafesta, G. Colonna, et al., “An MPI-CUDA Approach for Hypersonic Flows with Detailed State-to-State Air Kinetics Using a GPU Cluster,” Comput. Phys. Commun. 219, 178-195 (2017).
  22. V. N. Emelyanov, A. G. Karpenko, A. S. Kozelkov, et al., “Analysis of Impact of General-Purpose Graphics Processor Units in Supersonic Flow Modeling,” Acta Astronaut. 135, 198-207 (2017).
  23. B. A. Korneev and V. D. Levchenko, Simulating Three-Dimensional Unsteady Viscous Compressible Flow on GPU Using the DiamondTorre Algorithm , Preprint No. 105 (Keldysh Institute of Applied Mathematics, Moscow, 2018).
  24. J.-L. Zhang, Z.-H. Ma, H.-Q. Chen, and C. Cao, “A GPU Accelerated Implicit Meshless Method for Compressible Flows,” J. Comput. Phys. 360, 39-56 (2018).
  25. J. Lai, H. Li, Z. Tian, and Y. Zhang, “A Multi-GPU Parallel Algorithm in Hypersonic Flow Computations,” Math. Probl. Eng. (2019).
    doi 10.1155/2019/2053156
  26. A. N. Kraiko and V. E. Makarov, “Explicit Analytic Formulas Defining the Equilibrium Composition and Thermodynamic Functions of Air for Temperatures from 200 to 20000 K,” Teplofiz. Vys. Temp. 34 (2), 208-219 (1996) [High Temp. 34 (2), 202-213 (1996)].
  27. V. Emelyanov, A. Karpenko, and K. Volkov, “Simulation of Hypersonic Flows with Equilibrium Chemical Reactions on Graphics Processor Units,” Acta Astronaut. 163, 259-271 (2019).
  28. V. V. Rusanov, “The Calculation of the Interaction of Non-Stationary Shock Waves and Obstacles,” Zh. Vychisl. Mat. Mat. Fiz. 1 (2), 267-279 (1961) [USSR Comput. Math. Math. Phys. 1 (2), 304-320 (1962)].
  29. P. L. Roe, “Approximate Riemann Solvers, Parameter Vectors, and Difference Schemes,” J. Comput. Phys. 43 (2), 357-372 (1981).
  30. T. J. Barth and D. C. Jespersen, “The Design and Application of Upwind Schemes on Unstructured Meshes,” AIAA Paper 89-0366 (1989).
    doi 10.2514/6.1989-366
  31. V. Venkatakrishnan, “On the Accuracy of Limiters and Convergence to Steady State Solutions,” AIAA Paper 93-0880 (1993).
    doi 10.2514/6.1993-880
  32. A. Harten and J. M. Hyman, “Self Adjusting Grid Methods for One-Dimensional Hyperbolic Conservation Laws,” J. Comput. Phys. 50 (2), 235-269 (1983).
  33. A. A. Sorokin, S. V. Makogonov, and S. P. Korolev, “The Information Infrastructure for Collective Scientific Work in the Far East of Russia,” Nauch.-Tekh. Inf. Ser. 1: Organiz. Metod. Inform. Raboty № 12. 14-16 (2017) [Sci. Tech. Inf. Process. 44 (4), 302-304 (2017)].
  34. B. Sinharoy, J. A. Van Norstrand, R. J. Eickemeyer, et al., “IBM POWER8 Processor Core Microarchitecture,” IBM J. Res. Dev. 59 (2015).
    doi 10.1147/JRD.2014.2376112
  35. S. J. Eggers, J. S. Emer, H. M. Levy, et al., “Simultaneous Multithreading: A Platform for Next-Generation Processors,” IEEE Micro 17 (5), 12-19 (1997).
  36. W. J. Starke, J. Stuecheli, D. M. Daly, et al., “The Cache and Memory Subsystems of the IBM POWER8 Processor,” IBM J. Res. Dev. 59 (2015).
    doi 10.1147/JRD.2014.2376131
  37. NVIDIA Tesla P100. The most advanced data center accelerator ever built. Featuring Pascal GP100, the world’s fastest GPU (2016).
    https://images.nvidia.com/content/pdf/tesla/whitepaper/pascal-architecture-whitepaper.pdf . Cited January 26, 2021.
  38. NVIDIA: Multi-Process Service (2015).
    https://docs.nvidia.com/deploy/mps/index.html . Cited January 26, 2021.
  39. S. Corda and J. D. Anderson, “Viscous Optimized Hypersonic Waveriders Designed from Axisymmetric Flow Fields,” AIAA Paper 88-0369 (1988).
    doi 10.2514/6.1988-369.}

Лицензия

Copyright (c) 2021 Вычислительные методы и программирование

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.