Лаб. 7. Вычислительной аэродинамики

 

Лаборатория вычислительной аэродинамики организована в 1995 г. д.ф.-м.н. М.С. Ивановым. Основная деятельность лаборатории связана с развитием современных методов численного моделирования и их применением к расчётам высокоскоростных газовых и плазменных течений, в том числе с учетом эффектов разреженности и термохимической неравновесности. В настоящее время лаборатория насчитывает более двадцати сотрудников, из них:
докторов наук — 3
кандидатов наук — 11

Бондарь Евгений Александрович
заведующий лабораторией, к.ф.-м.н.

заведующий Лабораторией вычислительной аэродинамики
к.ф.-м.н. Бондарь Евгений Александрович
тел.: (383) 330-81-63
e-mail:bond [at] itam.nsc.ru

Направления научных исследований

1. Развитие численных методов и алгоритмов решения задач вычислительной аэродинамики на базе
    • континуального подхода (уравнения Эйлера, уравнения Навье-Стокса и т.д.),
    • кинетического подхода (уравнение Больцмана, метод прямого статистического моделирования, модельные кинетические уравнения, метод пробных частиц),
в том числе в применении к расчетам на гибридных (ЦПУ/ГПУ) суперкомпьютерах.

2. Разработка пакетов программ для решения прикладных аэродинамических задач в интересах отечественной аэрокосмической промышленности.

Системы для моделирования высотной аэродинамики, разработанные в лаборатории вычислительной аэродинамики ИТПМ СО РАН.

 

3. Аэротермодинамика космических аппаратов в режимах от течения от свободномолекулярного до континуального, в том числе для условий спуска со второй космической скоростью

Поле течения около космического аппарата "Клипер". Изолинии температуры.

4. Орбитальная аэродинамика: Применения экранов для создания высокого вакуума («Экран», «Ока-Т»), истечение струй двигателей управления, и т.д.


Проект "Экран". Поля плотности.  

Усовершенствование и валидация молекулярных моделей (в том числе полученных из первых принципов) физико-химических процессов в задачах высотной аэротермодинамики

 


Схема летного эксперимента RAM-C II и сравнение плотности электронов с результатом расчетов.

Физика ударных и детонационных волн: структура фронта очень сильных УВ с учетом эффектов реального газа, УВ на микромасштабах, взаимодействие УВ с акустическими возмущениями


Изоповерхности градиента плотности. Моделирование детонационной волны в канале квадратного сечения.    

Прямое численное моделирование ламинарно-турбулентного перехода в высокоскоростных пограничных и сдвиговых слоях, в том числе с учетом эффектов реального газа


Неустойчивость пограничного слоя на плоской пластине M = 6, изоповерхности завихренности (Q-критерий).

Публикации

Kudryavtsev A., Shershnev A., Rybdylova O.
Numerical simulation of aerodynamic focusing of particles in supersonic micronozzles
International Journal of Multiphase Flow. 2019. Vol. 114. P. 207-218.
doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2019.03.009

Molchanova A.N., Kashkovsky A.V., Bondar Y.A.
Surface recombination in the direct simulation Monte Carlo method
Phys. Fluids. 2018. Vol. 30, No. 10. Art. 107105. 18 p.
doi.org/10.1063/1.5048353 

Shoev G.V., Oblapenko G., Kunova O., Mekhonoshina M., Kustova E.
Validation of vibration-dissociation coupling models in hypersonic non-equilibrium separated flows
Acta Astronautica. 2018. Vol. 144. P. 147–159
doi.org/10.1016/j.actaastro.2017.12.023

Stanly R., Shoev G.V.
Detailed analysis of recent drag models using multiple cases of monodisperse fluidized beds with Geldart-B and Geldart-D particles
Chemical Engineering Science. 2018. Vol. 188. P. 132-149
doi.org/10.1016/j.ces.2018.05.030

Schweigert I.V., Burton T.S., Thompson G.B., Langendorf S., Walker M.L.R., Keidar M.
Plasma interaction with emmissive surface with Debye-scale grooves
Plasma Sources Sci. Technol.2018. Vol. 27, No. 4. Art. No. 045004
doi.org/10.1088/1361-6595/aab6d8   

Bokhan P.A., Gugin P.P., Lavrukhin M.A., Schweigert I.V., Alexandrov A.L., Zakrevsky D.E.
Limit characteristics of switches based on planar open discharge
Journal of Physics D: Applied Physics. 2018. Vol. 51, No. 40, Art. No. 404002. 11 p.
doi.org/10.1088/1361-6463/aad73f

Timokhin M.Yu., Struchtrup H.H., Kokhanchik A.A., Bondar Ye.A.
Different variants of R13 moment equations applied to the shock-wave structure
Phys. Fluids. 2017. Vol. 29, No. 3.  Art. No. 037105.
doi.org/10.1063/1.4977978

Schweigert I.V., Keidar M.
Periodical plasma structures controlled by external magnetic field
Plasma Sources Sci. Technol. 2017. Vol. 26, No. 6. Art. No. 064001.
doi.org/10.1088/1361-6595/aa6cfc

Schweigert I.V., Alexandrov A.L., Bokhan P.A., Zakrevsky D.E.
Breakdown in helium in high-voltage open discharge with subnanosecond current front rise.
Plasma Physics Reports. 2016. Vol. 42, No. 7. P. 666-677.
doi.org/10.1134/S1063780X16070096

Shershnev A.A., Kudryavtsev A.N.
Kinetic simulation of near field of plume exhausting from a plane micronozzle
Microfluidics and Nanofluidics. 2015. Vol. 19, No. 1. P. 105-115.
doi.org/10.1007/s10404-015-1553-9

Malkov E.A., Bondar Ye.A., Kokhanchik A.A., Poleshkin S.O., Ivanov M.S.
High-accuracy deterministic solution of the Boltzmann equation for the shock wave structure.
Shock Waves. 2015. Vol. 25, No. 4. P.387-397.
doi.org/10.1007/s00193-015-0563-6

Schweigert I.V.
Mode transition in miniature dc discharge driven by an auxiliary electrode
Plasma Sources Sci. Technol. 2015. Vol. 24.  Art. No. 24034003.
doi.org/10.1088/0963-0252/24/3/034008

Schweigert I.V., Alexandrov A.L., Zakrevsky Dm.E., Bokhan P.A.
Breakdown development in helium in high-voltage open discharge with subnanosecond current front
Plasma Sources Sci. Technol. 2015. Vol. 24. Art. No. 044005.
doi.org/10.1088/0963-0252/24/4/044005

Timokhin M.Yu., Bondar Ye.A., Kokhanchik A.A.
Study of the Shock Wave Structure by Regularized Grad's Set of Equations
Phys. Fluids. 2015. Vol. 27. Art. No. 037101.
doi.org/10.1063/1.4913673

Wysong I., Gimelshein S., Bondar Ye., Ivanov M.
Comparison of direct simulation Monte Carlo chemistry and vibrational models applied to oxygen shock measurements
Phys. Fluids. 2014. Vol. 26. Art. No. 043101.
doi.org/10.1063/1.4871023

Численный инструментарий

Высотная аэротермодинамика


Системы для моделирования высотной аэродинамики, разработанные в ИТПМ СО РАН.

RAMSES
SCARAB
SMILE
RuSat

Континуальные солверы

- CFS3D
- HyCFS

 

Важнейшие результаты
  1. Разработан, верифицирован и валидирован пакет программ SMILE+GPU, предназначенный для расчетов  высокоэнтальпийных разреженных неравновесных течений методом прямого статистического моделирования Монте-Карло с использованием технологии CUDA программирования графических процессорных устройств. Пакет использован при исследовании аэротермодинамики входа в верхние слои атмосферы перспективного космического корабля «Федерация».
  2. Разработан подход к описанию поверхностной рекомбинации, процесса оказывающего определяющее влияние на аэротермодинамику спускаемых космических аппаратов, в рамках метода прямого статистического моделирования Монте-Карло (ПСМ). Подход основан на использовании для построения моделей метода ПСМ детальных макроскопических моделей, в которых поверхностные химические процессы описываются на уровне коэффициентов скоростей различных поверхностных химических процессов (адсорбции, десорбции, различных механизмов рекомбинации). На основе решения обратной задачи находится информация о перечисленных процессах на уровне параметров отдельных молекул (в частности, их скорости).
  3. На основе прямого численного моделирования проведено исследование линейных и нелинейных стадий развития неустойчивых двумерных и трехмерных возмущений различных мод и начала ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое на плоской пластине при числе Маха потока M = 6.
  4. Разработан расчетный код HyCFS для численного решения полных нестационарных уравнений Навье–Стокса сжимаемого газа с использованием технологии CUDA программирования графических процессорных устройств. Kод основан на современных схемах сквозного счета высокого порядка  точности  (WENO,  TVD) и адаптирован для проведения расчетов на гетерогенных вычислительных кластерах, в которых на каждом вычислительном узле установлено несколько ГПУ. Код лежит в основе разрабатываемого в настоящий момент пакета программ для расчета
Достижения и награды
  • Иванов М.С., Кудрявцев А.Н., Хотяновский Д.В. - Премия имени А.Н. Крылова за серию работ "Гистерезис перехода между регулярным и маховским отражением стационарных ударных волн", 2007 г.

  • Бондарь Е.А. - Премия СО РАН им. академика М.Ф. Решетнева для молодых ученых в области механики и космического машиностроения, 2008 г.

  • Шоев Г. В. - Лауреат конкурса "Лучшие аспиранты РАН" 2010 г.

  • Шевырин А.А. - Премия СО РАН им. академика М.Ф. Решетнева для молодых ученых в области механики и космического машиностроения, 2011 г.

  • Бондарь Е.А., Шевырин А.А., Кашковский А.В., Иванов М.С. - Награда Американского института аэронавтики и астронавтики за лучшую работу в области теплофизики (AIAA Thermophysics Best Paper), 2011.

  • Молчанова А.Н. - Стипендия президента РФ 2013-2014 и Стипендия Правительства РФ 2012-2013 по приоритетным направлениям модернизации российской экономики, Стипендии компании Schlumberger 2012, 2013, Финалистка стипендиальной программы Google Anita Borg Memorial Scholarship Program 2012.

  • Кашковский А.В., Шершнев А.А., Ващенков П.В. - Конкурс CUDA Center of Excellence МГУ и компания NVIDIA «GPU: серьезные ускорители для больших задач 2013». Победа в номинации «Промышленная задача», 2-е место в номинации "Выбор журнала Суперкомпьютеры".

  • Молчанова А.Н. - Стипендия Президента РФ для молодых учёных 2016–2018.

  • Бондарь Е.А. - Медаль федерации космонавтики России имени академика В.П. Макеева, 2017.