ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРЕХМЕРНОГО ТЕЧЕНИЯ ГАЗА В ГАЗОВОЙ ЦЕНТРИФУГЕ. ЧАСТЬ 1. ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ

Ю. В. Янилкин, В. П. Стаценко, Ю. Д. Чернышёв, С. П. Беляев, В. Ю. Колобянин, А. В. Кондрашенко, О. О. Топорова, И. Ю. Турутина
Вопросы атомной науки и техники. Сер. Математическое моделирование физических процессов 2022. Вып.3. С. 3-19.

       Статья представляет собой первую часть работы, посвященной трехмерному численному моделированию разреженного газа в реальной газовой центрифуге с учетом физической вязкости и теплопроводности. Приведено описание численной методики, реализация которой проведена на основе методики ЭГАК на цилиндрической сетке в специальной системе координат на параллельной ЭВМ. Часть процессов аппроксимируется в неподвижной декартовой системе координат, а часть - в инерциальной цилиндрической системе. Методика предназначена для сквозного моделирования всего процесса работы центрифуги без применения приближенных методов "сшивки" результатов расчетов в разных областях центрифуги. С этой целью используется приближение, основанное на том, что уравнения газовой динамики, теплопроводности и диффузии применимы всюду. Используется подход, основанный на решении трехмерных уравнений Навье-Стокса во всей центрифуге, в том числе в области двумерного течения в разделительной камере. Для улучшения эффективности программы используется декомпозиция по процессам, в которой на область двумерного течения приходится всего один процесс. Это позволяет экономить вычислительные ресурсы на порядки. Результаты тестирования методики приводятся во второй части работы (рис. - 8, список лит. - 9).

Полный текст статьи

Ю. В. Янилкин, В. П. Стаценко, Ю. Д. Чернышёв, С. П. Беляев, В. Ю. Колобянин, А. В. Кондрашенко, О. О. Топорова, И. Ю. Турутина
Вопросы атомной науки и техники. Сер. Математическое моделирование физических процессов 2022. Вып.3. С. 20-36.

      Данная статья является продолжением первой части работы авторов, посвященной трехмерному численному моделированию течений в газовой центрифуге. Во второй части приводятся описание шести трехмерных и двумерных тестовых задач для однокамерной и двухкамерной модельной центрифуги "Игуассу" и результаты их моделирования по трехмерной методике, описание которой дано в первой части работы. Рассмотрены следующие задачи: твердотельное вращение газа c постоянной температурой; установление твердотельного вращения; газодинамическая задача c учетом теплопроводности, для которой получено аналитическое решение; однокамерная модель ротора газовой центрифуги, для которой также получено аналитическое решение; задача с двухкамерной моделью ротора газовой центрифуги, в которой исследовалось влияние места сшивки двумерной и трехмерной областей решения и сходимость численного решения при измельчении счетной сетки; одномерная диффузионная задача с аналитическим решением. Для всех тестов получено приемлемое согласие с аналитическими решениями (рис. - 15, список лит. - 9).

Полный текст статьи

А. Д. Хмельницкая, Н. Г. Карлыханов
Вопросы атомной науки и техники. Сер. Математическое моделирование физических процессов 2022. Вып.3. С. 37-47.

      Предлагается квазиспектральный метод для решения уравнения переноса излучения в двумерном осесимметричном случае на прямоугольной сетке. Метод заключается в усреднении уравнения по спектру и угловой переменной и приведении усредненного кинетического уравнения переноса к уравнению лучистой теплопроводности. Достоинство метода в том, что вся сложность итерационного процесса переложена на уравнение лучистой теплопроводности, для которого задача существенно упрощается. Кроме того, метод позволяет организовать распараллеливание по спектральной переменной, а также по пространству для вычисления усредненных по энергии пробегов и эффективной энергии излучения. Показана работоспособность метода на второй задаче Флека, решение сравнивалось со спектральным расчетом в одномерном сферическом случае (рис. - 5, список лит. - 5).

Полный текст статьи

А. А. Нуждин
Вопросы атомной науки и техники. Сер. Математическое моделирование физических процессов 2022. Вып.3. С. 48-62.

      Представлен иерархический алгоритм распараллеливания, который основан на выделении уровней архитектуры гибридной супер-ЭВМ с GPU и применении принципа геометрической декомпозиции на каждом из уровней. Внутри компактной группы нитей используется распараллеливание по элементам гиперплоскости фиксированного размера, состоящей из ячеек сетки. Между блоками одного GPU используется KBA-алгоритм на основе двумерной декомпозиции по столбцам и гиперплоскостям. Между различными GPU используется KBA-алгоритм на основе трехмерной декомпозиции. Программная реализация выполнена на примере тестовой программы ПАУК с помощью технологии CUDA. Эффективность адаптации теста ПАУК к одному GPU подтверждена результатами профилирования и сравнением с производительностью CPU-версии программы. Масштабируемость теста ПАУК в режиме multi-GPU исследована методом умножения (рис. - 5, табл. - 6, список лит. - 14).

Полный текст статьи

А. М. Ерофеев, М. В. Ветчинников
Вопросы атомной науки и техники. Сер. Математическое моделирование физических процессов 2022. Вып.3. С. 63-72.

       Описываются алгоритмы тестовой программы молекулярной динамики (MD), позволившие осуществить полный перенос всех вычислений на GPU и тем самым избавить от постоянной необходимости обмена между устройствами информацией о частицах. В результате взаимодействие между GPU и CPU необходимо только для организации пересылок граничной информации между отдельными GPU с помощью MPI на CPU, а это значительно меньше, чем пересылки в первоначальном коде, о чем свидетельствуют тестовые замеры эффективности. На разных по размеру задачах на одном GPU получено ускорение алгоритма относительно первоначального от 8,7 до 12,5 раза. При задействовании двух GPU такое ускорение составило от 6,6 до 12,5 раза. Эффективность распараллеливания на двух GPU V100 составила 76,3-79,6 % на задачах с числом частиц от 4 млн, на двух GPU А100 - 77,3-81,8 % на задачах с числом частиц от 13,5 млн (рис. - 4, табл. - 6, список лит. - 12).

Полный текст статьи

О. Н. Борисенко, М. В. Кузьменко, М. В. Черенкова, А. Г. Гиниятуллина, Н. В. Чухманов, Д. Н. Смолкина, Т. Е. Тимаева, К. А. Блажнова
Вопросы атомной науки и техники. Сер. Математическое моделирование физических процессов 2022. Вып.3. С. 73-85.

       Приводится описание способов улучшения качества граней объемных ячеек при автоматической генерации неструктурированных сеток в пакете программ "Логос", используемом при численном моделировании задач аэро- и гидродинамики. Это модификация ячеек с частично совпадающими гранями, объединение граней с учетом их формы, разрезание искривленных граней, разрезание невыпуклых граней с добавлением нового узла с возможностью удаления малого ребра, разрезание искривленных граней на множество плоских в зонах перехода негладких областей в гладкую область, удаление лишних узлов. Применение совокупности указанных способов позволяет улучшить форму граней ячеек, полученных методом отсечения, и, как следствие, построенного на их основе слоя ячеек, для которых характерен сильный градиент скорости потока. В итоге повышается качество расчетной сетки в целом (рис. - 17, табл. - 1, список лит. - 21).

Полный текст статьи

М. А. Титов
Вопросы атомной науки и техники. Сер. Математическое моделирование физических процессов 2022. Вып.3. С. 86-96.

       Представлена возможность применения векторных шрифтов в интегрирующей оболочке программного комплекса "Виртуальный 3D-принтер". Она обеспечивает нанесение текста, символов или логотипа предприятия на конструкции или детали, получаемые в процессе аддитивного производства методом послойного лазерного спекания металлической порошковой смеси. Рассмотрен SVG-формат компьютерных масштабируемых векторных шрифтов. Представлено его краткое описание на языке команд двумерной векторной графики Scalable Vector Graphics. Предложен подход получения координат точек, лежащих на границе обводки символа векторного шрифта. Описаны реализованные для этого синтаксический SVG-анализатор – парсер глифов символов шрифта - и библиотека растеризации квадратичных и кубических кривых Безье. Приведен пример использования разработанных программ для формирования трехмерной сцены из строки символов, выполненной векторным шрифтом. Представлены фотографии полученного в процессе аддитивного производства трехмерного текста (рис. - 15, табл. - 2, список лит. - 8).

Полный текст статьи