Особенности моделирования морских течений в OpenFOAM (Иван Хахаев, OSEDUCONF-2014)
Материал из 0x1.tv
Аннотация
- Докладчик
- Иван Хахаев
Рассматривается предварительные результаты моделирования турбулентных морских течений, выполненного в OpenFOAM. Обсуждаются параметры модели бассейна моря, возможности проверки ее адекватности, детали и проблемы препроцессинга и постпроцессинга. Оцениваются ресурсы, требуемые для проведения детальных расчетов, а также существующая методическая база для использования пакета OpenFOAM в учебных и исследовательских целях.
Видео
Посмотрели доклад? Понравился? Напишите комментарий! Не согласны? Тем более напишите.
Расширенные тезисы
В связи со строительством космодрома «Восточный» возникла задача минимизации экологических рисков, связанных с загрязнением районов падения ступеней ракет-носителей остатками ракетного топлива и другими токсичными материалами. Часть запланированных районов падения находится в Охотском море, которое является одним из самых богатых в мире по своим природным ресурсам.
Важным инструментом прогнозирования распространения загрязнений и выработки оптимальных сценариев их локализации и ликвидации может быть компьютерное моделирование гидродинамики, в том числе с учетом сосуществования воды и льда. Однако первым этапом такого моделирования является построение модели и проверка ее адекватности.
В простейшем случае необходимо убедиться, что возможно построить модель, в которой реализуется близкая к реальности картина течений, учитываются реальные размеры акватории и рельеф дна.
В качестве инструмента моделирования выбран пакет OpenFOAM, обеспечивающий численное решение широкого класса задач механики сплошных сред (МСС). Для многих часто встречающихся классов таких задач в OpenFOAM существует готовый «решатель» — реализованный алгоритм моделирования методом конечных элементов (объемов). В рассматриваемом случае задача состоит в расчете турбулентного течения несжимаемой жидкости. В пакете OpenFOAM соответствующий решатель называется simpleFoam. Первый шаг — моделирование свободного течения в условном квадрате шельфовой зоны с размерами 10 x 10 х 0.8 км (модель 1) — позволил подобрать начальные и граничные условия, обеспечивающие картину течений, сходную с опубликованными результатами измерений.
Второй шаг — моделирование течений для реальных размеров акватории — привел к значительным трудностям препроцессинга (построения сетки). Эти трудности связаны со сложной формой акватории, сложным рельефом дна и соотношением характерного размера акватории к максимальной глубине. При этом оказалось, что автоматизация препроцессинга (в частности, использование пакета Salome) не позволяет получить сетку, удовлетворяющую требованиям решателя. Для сетки оказываются критичными асимметрия ячеек, неортогональность ребер ячеек, а также соотношение длин ребер. Кроме того, возможно получить расходящееся решение (величина невязки становится больше максимально возможного вещественного числа) или решение с неадекватными значениями скорости течения (около 300 м/с при начальной скорости 1 м/с). Поэтому на втором шаге расчеты проводились по максимально упрощенной модели части акватории размером 2500 x 500 км и с глубинами от 2000 до 50 м (модель 2). Для такой модели удалось получить достаточно адекватную картину крупномасштабных течений.
Все вычисления выполнялись в виртуальной машине Xubuntu 12.04 в VirtualBox под ALT Linux p6. Для модели 1 просчитывалась сетка 50x50x40 ячеек, размер расчетной ячейки составлял 200x200x20 м (общее количество ячеек – 100000) при 40 шагах по времени. Общее время вычислений составило 30 минут, объем результатов вычислений составил около 1 Гб. Для модели 2 размер расчетной ячейки со ставлял 4000x2000 метров в плоскости X-Y при переменном размере по оси Z (глубине), общее количество ячеек в расчетном объеме составило 1425000 при максимальном соотношении длин граней 766,9. При 40 шагах по времени расчеты занимали около 7 часов, объем числовых данных, полученных в результате расчета, составил около 7.7 Гбайт. Работа с такими объемами данных уже существенно снижает скорость рендеринга результатов при поспроцессинге в ParaView. Отсюда понятно, что детализация модели и уменьшение соотношения длин граней приводит к необходимости распараллеливания вычислений в многопроцессорных конфигурациях и наличия высокопроизводительной графической подсистемы.
Методическое обеспечение работы с OpenFOAM представлено в виде документации на сайте разработчика, примерами для каждого решателя, а в русскоязычном сегменте — материалами на https://unihub.ru/resources/teachingmaterials. Документация на сайте разработчика носит справочный характер (и содержит некоторые ошибки) и полезна только для тех, кто уже хорошо понимает возможности пакета и специфику его применения. Примеры для решателей не имеют текстовых описаний (кроме самых общих), поэтому они позволяют только убедится в работоспособности решателя. Материалы на unihub.ru либо добавляют описания задач к примерам для решателей, либо затрагивают отдельные узкие вопросы. Нужно однако отметить, что на unihub.ru имеется русский перевод документации по препроцессингу (созданию сеток).
Таким образом, для эффективного решения задач МСС средствами OpenFOAM требуется существенное развитие методической поддержки. Один из способов такого развития — активное использование пакета в научных исследованиях с открытой публикацией конкретных задач (use cases) и способов их решения.
Примечания и отзывы
Plays:247
Comments:3