Программный комплекс SMILE

Программный комплекс SMILE (Statistical Modeling in Low-Density Environment — статистическое моделирование в средах с низкой плотностью) разработан в лаборатории вычислительной аэродинамики Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской Академии наук. Лаборатория хорошо известна в стране и за рубежом как один из основных центров, связанных с исследованиями различных проблем высотной аэротермодинамики на основе решения кинетических уравнений методом прямого статистического моделирования (ПСМ). В лаборатории разработаны эффективные численные алгоритмы для моделирования течений разреженного газа в широком диапазоне чисел Кнудсена на параллельных ЭВМ. Разработаны модели для описания физико-химических процессов в разреженных течениях. Результаты исследований, проводимых в лаборатории, неоднократно представлялись на различных национальных и международных конференциях и отражены в многочисленных публикациях.

Программный комплекс SMILE предназначен для решения фундаментальных и прикладных задач динамики разреженного газа методом прямого статистического моделирования (ПСМ) на многопроцессорных ЭВМ. Комплекс также используется для обучения студентов и аспирантов соответствующих специальностей методам и средствам вычислительной динамики разреженного газа.

Комплекс SMILE позволяет проводить численное исследование газовых течений в режимах от переходного до свободно-молекулярного, то есть таких течений, в которых длина свободного пробега в газе сравнима или намного превышает характерные размеры задачи. Численное моделирование таких течений необходимо при проведении исследований в областях вакуумной газовой динамики, физики молекулярных пучков, физики плазмы и газового разряда, высотной аэродинамики и др. Известно, что традиционные методы вычислительной газовой динамики, основанные на континуальном описании течения (уравнения Эйлера и Навье-Стокса), неприменимы в свободномолекулярном и переходном режимах. Для описания таких течений необходимо использовать кинетический подход, основанный на уравнении Больцмана. В настоящий момент метод ПСМ, в котором реальное газовое течение представляется в виде ансамбля модельных молекул (обычно ~10⁵-10⁷ молекул), взаимодействующих между собой и с твердой поверхностью, является наиболее мощным инструментом для численного решения уравнения Больцмана в двумерной и трехмерной постановках. В комплексе SMILE реализованы наиболее современные и эффективные схемы метода ПСМ.

Программный комплекс позволяет проводить исследования течений разреженного газа в двух- и трехмерной постановках с использованием упрощенной геометрической модели исследуемого объекта. В комплексе реализованы различные модели межмолекулярных столкновений, как упругих, так и неупругих, что позволяет проводить расчеты разреженных течений с учетом эффектов реального газа (обмен энергией между поступательными и внутренними модами молекул и химические реакции).

В комплексе SMILE используются высокоэффективные алгоритмы распараллеливания метода ПСМ, реализованные на базе библиотеки MPI (Message Passing Interface), что делает возможным использование комплекса на многопроцессорных ЭВМ. Это особо важно при исследованиях около-континуальных течений с учетом эффектов реального газа, требующих больших вычислительных ресурсов. Программный комплекс состоит из следующих подсистем:

• Интерактивная подсистема подготовки расчета и задания начальных данных. Эта подсистема позволяет задать параметры набегающего потока, размер расчетной области и размер расчетной сетки, граничные условия и параметры численного метода.
• Интерактивная подсистема подготовки геометрической модели для создания упрощенной двух- или трехмерной расчетной конфигурации. Для моделирования взаимодействия модельных частиц с поверхностью, подсистема использует классические модели взаимодействия газа с поверхностью.
• Собственно вычислительная подсистема одно-, двух- и трехмерного моделирования.
• Интерактивная подсистема обработки и представления результатов расчетов, позволяющая представить основные газодинамические параметры (давление, плотность, скорость, температура) и некоторые поверхностные параметры в виде двумерных полей течений, изолиний, распределения величин по поверхности геометрической модели. Существует возможность экспорта результатов расчетов в формат сторонних систем визуализации.

Все интерактивные подсистемы имеют дружественный графический интерфейс пользователя, что делает их доступными и легкими в использовании в учебном процессе. Работоспособность комплекса SMILE подтверждена многочисленными публикациями, в которых производились сравнения результатов расчетов комплексом SMILE и экспериментальных данных как российских, так и зарубежных исследователей.

Литература

1. Kogan M.N. Rarefied Gas Dynamics. Plenum, New York: 1969.
2. Bird G.A. Molecular gas dynamics and direct simulation of gas flows. Clarendon Press, Oxford, 1994.
3. Ivanov M.S., Kashkovsky A.V., Gimelshein S.F., Markelov G.N., Alexeenko A.A., Bondar Ye.A., Zhukova G.A., Nikiforov S.B., Vashenkov P.V. SMILE System for 2D/3D DSMC computations, Proc. of 25th Int. Symp. On RGD., Saint-Petersburg (Russia, July 21-28, 2006), Publishing House of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 2007, pp. 539-544.
4. Bondar Ye.A., Markelov G.N., Gimelshein S.F., Ivanov M.S. Numerical modeling of near-continuum flow over a wedge with real gas effects, Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 2006, V. 20, No. 4, Р. 699-709.
5. Markelov G.N., Kashkovsky A.V., Ivanov M.S. Space station MIR aerodynamics along the descent trajectory, Journal of Spacecraft and Rockets, 2001, V. 38, №. 1, Р. 43-50.
6. Ivanov M.S., Markelov G.N., Gimelshein S.F. Statistical Simulation of Reactive Rarefied Flows: Numerical Approach and Applications, AIAA Paper, 1998 № 98-2669.

Краткое описание программного комплекса SMILE

Программный комплекс SMILE включает в себя подсистемы пре-процессинга (подготовки начальных данных), процессинга (т.е. расчета методом ПСМ) и пост-процессинга (обработки и визуализации результатов), несколько вспомогательных утилит, и встроенную систему помощи.

Система SMILE основана на:

• численных схемах метода прямого статистического моделирования (ПСМ);
• столкновительных моделях, описывающих эффекты реального газа;
• параллельных алгоритмах метода ПСМ и специальных методах, ускоряющих вычисления;
• пре- и пост-процессорнорных системах, которые упрощают весь процесс, начиная от задания геометрической модели и до визуализации результатов.

Модели межмолекулярных столкновений:

а) реализация метода ПСМ основана схеме мажорантной частоты;
б) для моделирования упругих столкновений используются модели переменных твердых сфер (VHS) и переменных мягких сфер (VSS);
в) для моделирования вращательной и колебательной энергии молекул и энергообмена с поступательной модой применяются непрерывная и дискретная модели Ларсена-Боргнакке (по выбору) с постоянными или температурно-зависимыми релаксационными числами.
г) для моделирования химических реакций диссоциации и обмена в газовой фазе используются как модель полной столкновительной энергии (TCE), так и модель с учетом колебательно-диссоционного взаимодействия (VDF);
д) модели могут быть использованы как с непрерывной так и с дискретной внутренней энергией;
е) база данных химических элементов содержит все параметры перечисленных моделей для компонентов, содержащихся в атмосферах Земли и Марса;
ж) для описания столкновений молекул газа с поверхностью используется модель Максвелла или многопараметрическая модель Ночиллы.
Расчетные сетки:

а) двухуровневая прямоугольная сетка;
б) адаптация сетки автоматическая по локальной длине свободного пробега;
в) указанные сетки могут использоваться для расчета течений разреженного газа в двумерной, осесимметричной и трехмерной постановках.
Другие численные процедуры:

а) При расчете осесимметричных течений могут использоваться радиальные весовые функции;
б) адаптивное разбиение вычислительной области на подобласти с различными шагами по времени.

Тестовые случаи :

• Аэротермодинамика обтекания тел простой формы (диск, сфера, затупленный конус, конус с юбкой) под углом атаки потоком реагирующего воздуха;  обтекание вогнутых тел для двумерных и трехмерных случаев;
• взаимодействие ударных волн с пограничным слоем при обтекании полого цилиндра с юбкой или двойного конуса; взаимодействие струй, истекающих в вакуум, между собой, с поверхностью аэродинамической модели и взаимодействие струи с набегающим потоком;
• течение в микроканале

Специальная графическая оболочка, позволяет упростить и ускорить процесс задания начальных данных расчета, проконтролировать запущенный расчет и просмотреть полученные результаты. Из нее вызываются все подсистемы и утилиты, в том числе и такая, как Tecplot для представления полученных результатов. Также при работе с этой оболочкой выполняются некоторые функции операционной системы, такие как создание и удаление директорий, архивирование файлов и пр. Предусмотрен вызов подсистемы помощи пользователю.

Система пре-процессинга выполняет интерактивную подготовку начальных данных для вычисления, ее основные элементы, это:

• подсистема подсказки, которая рекомендует значения некоторых параметров метода ПСМ;
• база данных химических элементов, бинарных столкновений и химических реакций;
• подсистемы для задания, редактирования и сохранения геометрической модели, свойств поверхности и начальных условий.

Система ПСМ вычислений (процессинга) основывается на алгоритмах метода прямого статистического моделирования и использует эффективные алгоритмы распараллеливания. После выполнения пре-процессинга создаются restart-файлы, которые затем обновляются в процессе вычислений. Это позволяет контролировать процесс вычислений и продолжать прерванное вычисление не с начала, а с момента прерывания.

Интерактивная графическая пост-процессорная система используется для:

•     преобразования данных из restart-файлов в формат для их визуализации;
•     визуализации поверхностных свойств, полей течении и функций распределения.

Описание условий сопровождения

Программный комплекс поставляется в электронном виде. В комплект поставки включены бинарные файлы. В комплект поставки также входят подсистемы программного комплекса, свободно распространяемые вспомогательные библиотеки, техническое описание системы и руководство пользователя. Программный комплекс не требует участия разработчика в процессе использования, кроме помощи в установке и первоначальной настройки системы (представители Разработчика будут командированы к Заказчику для первоначальной установки). В случае выявления Заказчиком некорректной работы системы, гарантируем устранение замеченных недостатков. Также гарантируем поставки версий с устраненными замечаниями Заказчика. Консультации по работе с комплексом SMILE первоначально будут проведены в виде семинаров на территории Заказчика, а далее по электронной почте и по телефону.