Ученые БФУ им. И. Канта адаптировали передовой метод численного решения астрофизических задач для моделирования аэродинамики в земных условиях. За основу своей новой работы коллектив лаборатории астрофизики БФУ им. И. Канта взял метод подвижных сеток, развитый группой исследователей под руководством Фолькера Шпрингеля (Volker Springel) из Астрофизического университета им. Макса Планка (Германия). В настоящее время этот метод является одним из наиболее передовых в астрофизике, сочетая в себе элементы эйлерова и лагранжева подходов к решению уравнений газодинамики на подвижной сетке Вороного.
| К сожалению, непосредственно использовать передовые наработки астрофизического моделирования в других задачах газодинамики невозможно. Хотя движение жидкостей и газов подчиняется одним и тем же физическим законам как в космосе, так и на Земле, инструменты решения астрофизических задач имеют свою специфику. Таким образом, возникает задача адаптации самых современных методов численного решения уравнений газодинамики, использующихся в астрофизическом моделировании, применительно к прикладным исследовательским и инженерным задачам аэродинамики приземного слоя атмосферы. Для этого наша лаборатория астрофизики БФУ им. И. Канта разработала собственный модуль симуляции конечных границ, сквозь которые в области моделирования могут втекать и вытекать потоки вещества. Кроме того, был создан алгоритм моделирования твердых поверхностей, влияющих на течение вещества. Для этого на моделируемой поверхности располагались специальные генераторы фантомных ячеек подвижной расчетной сетки, которые создавали условия отражения газового потока от твердой границы. |
| рассказал руководитель астрономического сообщества БФУ им. И. Канта Алексей Байгашов. |
Адаптация передового метода решения к принципиально иным условиям потребовала от исследователей БФУ им. И. Канта решать самые разные задачи. Например, оказалось, что генераторы фантомных ячеек плохо работают в условиях резких перепадов плотности окружающего вещества. Чтобы исправить эту ошибку, исследователям пришлось серьезно переработать алгоритм работы генераторов, подобрать необходимый набор параметров для их позиционирования и поместить фантомные отражающие ячейки в два слоя для повышения точности моделирования. Не меньшие сложности вызвала и задача генерации ячеек подвижной сетки на границах моделируемого пространства, через которые протекает воздушный поток.
Для проверки корректности разработанных методов ученые БФУ им. И. Канта провели численное моделирование динамики трехлопастного вертикального ветрогенератора. Напомним, что этим летом наши исследователи напечатали на 3D-принтере прототип такого генератора, который используется для верификации разрабатываемых математических моделей. Была выполнена целая серия численных экспериментов, симулирующих различные режимы работы ветрогенератора, ключевым из которых является моделирование взаимодействия вращающегося ветрогенератора с мощной ударной волной.
Результаты моделирования представлены на видео: на равномерно вращающийся ветрогенератор слева направо набегает ударная волна, формируя уплотнения воздуха перед лопастями, закручивающиеся и растягивающиеся в длинные вихревые следы. На видео специально включено отображение границ ячеек подвижной расчетной сетки Вороного: хорошо видно, как они движутся вслед за лопастями ветрогенератора, обеспечивая корректное отражение ударной волны от твердых поверхностей, и деформируются вслед за образующимися локальными неоднородностями плотности воздушного потока. Важно отметить, что все трансформации сетки после запуска моделирования производятся в полностью автоматическом режиме, реализуя тем самым адаптацию расчетной сетки к условиям моделирования, что, в свою очередь, обеспечивает высокую стабильность численного расчета даже при моделировании таких экстремальных процессов, как прохождение ударных волн.
Несмотря на впечатляющий успех в деле адаптации метода Шпрингеля к инженерным задачам, ученые не планируют на этом останавливаться. Сейчас научная группа лаборатории астрофизики продолжает работы по верификации разработанного метода на серии эталонных численных экспериментов и готовится опубликовать результаты своих исследований в одном из ведущих отечественных научных журналов.
В ближайшем будущем ученые планируют реализовать воздействие аэродинамических процессов на твердые поверхности, что откроет путь к физически корректному моделированию подвижных объектов в подвижной среде с учетом их взаимного влияния друг на друга. Разрабатываемая в рамках программы «Приоритет 2030» система моделирования будет востребована в самых разных областях: при расчетах параметров ветрогенераторов с учетом рельефа местности и доминирующих ветров на месте их установки, моделировании аэродинамики летательных аппаратов, внутренней динамики сложных турбин и насосов, а также многих других важных инженерных и исследовательских задачах.
Личный кабинет для cтудента
Личный кабинет для cтудента
Даю согласие на обработку представленных персональных данных, с Политикой обработки персональных данных ознакомлен
Подтверждаю согласие
