Аннотация

Проект направлен на решение фундаментальной проблемы прогнозирования эволюции конвективных геофизических течений и прикладной проблемы формирования конвективных течений и переноса примесей в условиях города. Актуальность этих проблем обусловлена влиянием атмосферных течений на метеорологические условия, перенос примесей, а также значительным ущербом в случае экстремально интенсивных вихрей. Конкретно в рамках проекта предлагается решить несколько задач. Во-первых провести лабораторное и численное исследование нестационарной фазы формирования конвективного течения над локализованным источником тепла в неподвижном и вращающемся слое жидкости, в том числе и при наличии обратной связи между теплопотоком и структурой течения. Реализация обратной связи является технически сложной задачей и потребует совместных усилий целой группы специалистов. Во-вторых изучить влияние рельефа поверхности на формирование конвективных течений и перенос примесей. Эта часть проекта обладает высоким прикладным значением. В настоящее время активно развивается область науки, направленная на исследование климатических условий на масштабе крупных городов. Применение лабораторного моделирования для изучения распространения конвективных течений и примесей с учетом рельефа г. Перми является актуальной задачей и может стать началом комплексного использования данного подхода для прогнозирования последствий различных техногенных катастроф и влияния выбросов крупных индустриальных предприятий. Экспериментальное исследование будет проводиться на специализированных стендах для исследования конвективных течений в прозрачных средах с использованием системы полевых измерений скорости PIV. Трехмерный рельеф поверхности будет реализован при помощи 3D принтера. Численное моделирование будет проводится на базе открытого программного обеспечения OpenFoam и кластера ИМСС УрО РАН «Тритон».

Участники проекта:

• Сухановский Андрей Николаевич, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник лаборатории "Физической гидродинамики" ИМСС УрО РАН;
• Васильев Андрей Юрьевич, к.ф.-м.н., научный сотрудник лаборатории "Физической гидродинамики" ИМСС УрО РАН;
• Евграфова Анна Валерьевна, к.ф.-м.н., младший научный сотрудник лаборатории "Физической гидродинамики" ИМСС УрО РАН;
• Павлинов Александр Михайлович, к.ф.-м.н., младший научный сотрудник лаборатории "Физической гидродинамики" ИМСС УрО РАН;
• Попова Елена Николаевна, к.ф.-м.н., инженер-исследователь лаборатории "Физической гидродинамики" ИМСС УрО РАН;
• Степанов Родион Александрович, д.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник лаборатории "Физической гидродинамики" ИМСС УрО РАН;
• Теймуразов Андрей Сергеевич, к.ф.-м.н., научный сотрудник лаборатории "Физической гидродинамики" ИМСС УрО РАН;
• Чугунов Денис Петрович, ведущий инженер лаборатории телекоммуникационных и информационных систем ИМСС УрО РАН;
• Щапов Владислав Алексеевич, ктн, младший научный сотрудник лаборатории телекоммуникационных и информационных систем ИМСС УрО РАН, доцент кафедры информационных технологий и автоматизированных систем ПНИПУ.

Заявленные цели Проекта на период, на который предоставлен грант

Проект направлен на решение фундаментальной проблемы прогнозирования эволюции конвективных геофизических течений. Актуальность проблемы обусловлена влиянием таких течений на метеорологические условия, перенос примесей, а также значительным ущербом в случае экстремально интенсивных вихрей. Конкретно в рамках проекта предлагается решить несколько задач.

1. Лабораторное и численное исследование нестационарной фазы формирования конвективного течения над локализованным источником тепла в неподвижном и вращающемся слое жидкости.
2. Лабораторное и численное исследование нестационарной фазы формирования конвективного течения над локализованным источником тепла в неподвижном и вращающемся слое жидкости при наличии обратной связи между величиной теплопотока и скоростью жидкости.
3. Построение теоретической модели, описывающей основные характеристики конвективного течения в зависимости от типа нагрева и связи между полем скорости и интенсивностью теплообмена.
4. Изучение влияния рельефа поверхности на конвективные течения от локализованного источника тепла.
5. Изучение влияния рельефа поверхности на распространение примеси при наличии или отсутствии основного крупномасштабного течения.

Полученные за 2016 год, результаты с описанием методов и подходов, использованных в ходе выполнения проекта (описать, уделив особое внимание степени оригинальности и новизны)

Основной упор в ходе выполнения работ первого года проекта был сделан на изучение нестационарной фазы формирования конвективного течения над локализованным источником тепла во вращающемся слое жидкости. Данный цикл работ связан с лабораторным моделированием крупномасштабных геофизических течений, а именно тропических циклонов. Проблема генезиса и эволюции тропических циклонов стоит сейчас очень остро, так как ежегодно они приводят к большому количеству жертв и колоссальному экономическому ущербу. Основное внимание уделяется улучшению систем прогнозирования. Как известно качество прогноза существенно зависит от используемых математических моделей. Однако несмотря на наличие высокопроизводительных многопроцессорных систем, возможности численного моделирования до сих пор серьезно ограничены. Основная масса расчетов проводится на сетках с пространственным разрешением 2--3 км, а процессы, протекающие на подсеточных масштабах, учитываются при помощи различных математических моделей. Это касается эффектов связанных с турбулентностью, роль вторичных течений, характерный размер которых составляет 1--3 км, до настоящего времени является неучтенной. Еще одной серьезной проблемой при численном моделировании реальных атмосферных течений является большое количество используемых параметров (влажность, сжимаемость, различные физические свойства среды и т.д.). В силу того, что время полномасштабного 3D расчета занимает порядка недели, проверить роль каждого из входящих в модель управляющих параметров практически невозможно. Ограниченные возможности математического моделирования атмосферных течений обусловили подъем интереса к использованию лабораторного моделирования в геофизической гидродинамике. На основе подхода, предложенного в (Г. П. Богатырев. .Возбуждение циклонического вихря или лабораторная модель тропического циклона., Письма в ЖЭТФ, 51:11 (1990),с. 557–559.) используя измерения методом PIV (Particle Image Velocimetry), удалось показать, что структура лабораторного конвективного вихря подобна структуре тропического циклона (А. В. Евграфова, А. Н. Сухановский, Е. Н. Попова. Потоки углового момента во вращающемся слое с локализованным нагревом.,Вычислительная механика сплошных сред, 9:4 (2016), с. 498–508; V. Batalov, A. Sukhanovsky, P. Frick. “Laboratory study of differential rotation in a convective rotating layer”, J. Geophys. Astrophys. Fluid Dynam., 104:4 (2010), pp. 349–368; A. Sukhanovskii, A. Evgrafova, E. Popova. “Laboratory study of a steady-state convective cyclonic vortex”, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 142:698 (2016), pp. 2214–2223; A. Sukhanovskii, A. Evgrafova, E. Popova. “Non-axisymmetric structure of the boundary layer of intensive cyclonic vortex”, Dynamics of Atmospheres and Oceans, 80 (2017), pp. 12–28). Сравнение проводилось как с результатами натурных наблюдений, так и с результатами численных моделей, используемых метеорологами для прогноза эволюции и траектории движения реальных тропических циклонов (J. A. Zhang, R. F. Rogers, D. S. Nolan, F. D. Marks (Jr.). “On the characteristic height scales of the hurricane boundary layer”, Mon. Weather Rev., 139 (2011), pp. 2523–2535; R. K. Smith, M. T. Montgomery, J. Persing. “On steady-state tropical cyclones”, Q. J. R. Meteorol. Soc., 140 (2014), pp. 2638–2649). Эксперименты показали, что структура циклонического вихря существенно зависит от вязкости жидкости, что хорошо согласуется с результатами натурных наблюдений (в случае атмосферных течений имеется в виду турбулентная вязкость). Таким образом, несмотря на очевидные ограничения, связанные с тем, что в лабораторном эксперименте невозможно прямое моделирование атмосферных течений, он позволяет на основе реальной физической системы исследовать целый ряд явлений, наблюдаемых в атмосфере.

В результате исследований нестационарной фазы формирования интенсивного конвективного вихря были получены следующие результаты:

1. Временные зависимости максимальных значений радиальной и азимутальной скорости в нижней части слоя, на высоте h=5 мм.
2. Временные зависимости энергий азимутального и радиального движения, осредненных по области нагрева, на высоте h=5 мм.
3. При помощи визуализации алюминиевой пудрой описана временная эволюция конвективных структур при формировании и разрушении циклонического вихря (после прекращения нагрева).
4. Показана сильная корреляция между временной зависимостью температуры нагревателя и интенсивностью вихря.
5. Показано, что динамика конвективного вихря существенно зависит от скорости вращения модели.

Все полученные результаты являются новыми. На основе полученных результатов идет подготовка статьи для публикации в журнале Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society (Sukhanovskii A., Evgrafova A., Popova E. Spin-up and spin-down of cyclonic vortex over localized heat source. Part I. Flow topology and characteristics.)

Наряду с экспериментальным моделированием была подготовлена математическая модель, реализованная в открытом CFD пакете OpenFOAM в постановке максимально приближенной к эксперименту. Несмотря на то, что численная реализация занимает значительно больше времени чем эксперимент, ее результатом является серия мгновенных распределений характеристик течения в объеме, что недостижимо в эксперименте. Поэтому проведение численного моделирования для наиболее интересных экспериментальных режимов представляет несомненный интерес. Были проведены первые расчеты для исследования нестационарной фазы формирования конвективного течения над локализованным источником тепла во вращающемся слое жидкости. Получена зависимость интегральных и локальных характеристик течения от времени.

Второй блок работ был направлен на лабораторное исследование нестационарной фазы формирования конвективного течения над локализованным источником тепла во вращающемся слое жидкости при наличии обратной связи между величиной теплопотока и скоростью жидкости. Как известно в природных и технологических процессах часто существует связь между гидродинамическими и термодинамическими характеристиками. Так изменение скорости или топологии течения может привести к росту или уменьшению выделения тепла в результате тех или иных термодинамических процессов (горение, конвективный теплообмен, конденсация, химические реакции и т.д.). Данный проект сфокусирован на исследовании процесса выделения скрытого тепла при формировании крупномасштабных атмосферных вихрей, таких как тропические циклоны, которые в различных регионах называются также ураганами и тайфунами. Основные усилия были сосредоточены на создании технологии интеграции измерительных и вычислительных систем, предназначенная для проведения эксперимента по изучению формирования циклонического вихря над локализованным источником тепла при наличии связи между интенсивностью нагрева и скоростью течения. Ранее единственная попытка реализовать связь между интенсивностью тепловыделения и скоростью течения, в связи с изучением тропических циклонов, была предпринята около 50 лет тому назад (R. K. Hadlock, S. L. Hess. “A laboratory hurricane model incorporating an analog to release of latent heat”, J. Atmos. Sci., 25:2 (1968), pp. 161–177), где скорость экзотермической химической реакции зависела от скорости течения. Было показано, что центральная часть наблюдаемого циклонического вихря качественно подобна стене "глаза" тропического циклона.

Надо отметить, что малое количество лабораторных исследований посвященных изучению тропических циклонов обусловлено рядом причин. Прежде всего, отметим узкий диапазон параметров, в котором наблюдается формирование лабораторного аналога тропического циклона. Предлагаемый подход открывает новые, широкие возможности благодаря контролируемой связи между скоростью течения и нагревом. Основная сложность при реализации данного подхода связана с решением целого ряда технических задач, связанных с разработкой и сопряжением различных элементов системы, таких как сбор данных, хранение данных, обработка данных и контроль нагрева.

Эксперимент с обратной связью подразумевает обработку данных непосредственно в ходе измерений. Программное обеспечение, поставляемое с системой «Полис», не предоставляет такую возможность. Вторая проблема обусловлена тем, что метод PIV ресурсоемкий и при частоте измерений в 0,5 Гц производительности персонального компьютера недостаточно для их обработки в режиме измерений. Характерное время, требуемое для обработки одного измерения на персональном компьютере сильно варьируется в зависимости от параметров обработки и производительности ПК, как правило, это десятки секунд. Поэтому процесс обработки перенесен на параллельную вычислительную систему - суперкомпьютер. При этом вычислительная часть процесса обработки линейно масштабируется с ростом числа вычислительных узлов. Таким образом, путем увеличения количества вычислительных узлов, используемых для обработки данных, можно получить скорость обработки достаточную для проведения экспериментов с обратной связью. Перенос обработки данных на внешнюю вычислительную систему требует создания сети передачи данных между измерительной и вычислительной системой, а также решения задачи эффективного распределения потока измерений по вычислительным узлам и возврата результатов обработки от вычислительных узлов на экспериментальную установку (V. Shchapov, G. Masich, A. Masich. “Platform for parallel processing of intense experimental data flow on remote supercomputers”, Procedia Computer Science, 66 (2015), pp. 515–524; Р. Степанов, А. Масич, В. Щапов,А. Сухановский, А. Игумнов, Г. Масич. .Обработка на супервычислителе потока экспериментальных данных., Вестник УГАТУ, 16:3(48) (2012), с. 126–133). Разработанная система передачи и обработки данных функционирует следующим образом. Данные измерений (пары изображений) загружаются программным обеспечением экспериментальной установки и передаются менеджеру потоков данных. В ответ на запросы вычислительных узлов менеджер потоков данных отдает им следующее доступное в его очереди измерение. После обработки данных вычислительные узлы передают результаты менеджеру потоков данных. Управляющее программное обеспечение экспериментальной установки запрашивает у менеджера новые результаты, и после их получения принимает решение о формировании управляющих воздействий на исследуемый объект. Так как каждое исходное измерение получает уникальный возрастающий номер, то управляющее программное обеспечение установки может правильно обрабатывать получаемые результаты обработки, даже если они будут получены в другом порядке. Разработанный подход позволяет установить связь между нагревом и скоростью движения. Таким образом, происходит моделирование выделения скрытого тепла в пограничном слое тропического циклона. В качестве локализованного нагревателя используется медный теплообменник радиусом 5,2 см и толщиной 1 см, расположенный в центральной области заподлицо с дном модели. Питание нагревателя производится при помощи стабилизированного источника тока. Для контроля граничных условий используется термопара, расположенная внутри теплообменника вблизи границы с жидкостью. Медь-константановая термопара подключена к регулятору температуры Термодат-17Е5. Прибор позволяет задавать целевую температуру или мощность нагрева вручную с лицевой панели, либо дистанционно путём подачи команд по интерфейсу RS-485. Такое управление было выбрано для сопряжения экспериментальной установки с программным обеспечением, осуществляющим анализ структуры течения. Управляющий сигнал прибора (низковольтные импульсы с изменяемой скважностью) поступает на оптосимисторный силовой блок, включенный в разрыв цепи питания нагревателя. Таким образом, коэффициент использования мощности нагревателя варьируется от нуля до 100% с точностью в 1%. Для изменения максимальной мощности нагревателя использован лабораторный автотрансформатор, включённый в промышленную сеть. Для каждого эксперимента устанавливается функциональная связь между средней скоростью течения над нагревателем и температурой (или мощностью) нагревателя. Таким образом, характеристики течения, полученные в результате обработки изображений методом PIV, служат входными параметрами для системы нагрева. Эти параметры вычисляются с необходимой частотой и записываются в файлы уставок и периодически считываются программой управления регулятором температуры. При этом регулятор температуры работает как пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор, обеспечивая быстрый выход системы на требуемый режим и минимизируя колебания температуры в теплообменнике.

В результате проведения работ по второму блоку проекта были получены следующие результаты:

1. Разработано и апробировано программное обеспечение, которое позволяет проводить целый ряд операций: сбор экспериментальных данных, передачу данных на вычислительные узлы, обработку экспериментальных данных методом PIV, передачу обработанных данных на управляющий компьютер, управление нагревом на основе функциональной связи между скоростью течения и мощностью нагрева.
2. При помощи разработанного подхода проведена серия экспериментальных измерений для различных коэффициентов линейной связи скорости течения и мощности нагрева.

Реализованный подход использования суперкомпьютерных мощностей для нужд эксперимента, является оригинальным и чрезвычайно перспективным не только для конкретной работы, но и в целом для оптимизации экспериментальных исследований в самых различных областях.

Разработанный пакет программ планируется зарегистрировать. На основе полученных результатов были подготовлены и опубликованы две статьи:

1. Rodion Stepanov, Andrey Sozykin, Distributed PIV Technology: Network Storage Usage // CEUR Workshop Proceedings (ISSN 1613-0073), 2017, v. 1989, pp. 121-129.
2. В. А. Щапов, А. В. Евграфова, Г. Ф. Масич и др. «Применение суперкомпьютерной обработки данных от измерительных систем для проведения экспериментов с обратной связью» // Программные системы : теория и приложения, 2018,9:1(36), с. 3–19. DOI: https://doi.org/10.25209/2079-3316-2018-1-1-3-19

Основные результаты первого года проекта:
1. Описана нестационарная фаза формирования конвективного течения над локализованным источником тепла во вращающемся слое жидкости, для двух вариантов нагрева - фиксированного теплового потока или постоянной температуры. Реконструированы поля скорости в различных сечениях, исследована зависимость характеристик течения (в выделенных сечениях) от времени.

Рис. 1. Конвективные структуры в нестационарной фазе формирования циклонического вихря для различных моментов времени от начала нагрева: 1 – 16 с, 2 – 24 с, 3 – 32 с, 4 - 40 с. Период вращения T=37 с.

Рис.2. Схема обработки экспериментальных данных на суперкомпьютере.

Для реализации контролируемой связи между интенсивностью нагрева и скоростью течения было разработано и апробировано программное обеспечение, которое позволяет проводить целый ряд операций: сбор экспериментальных данных, передачу данных на вычислительные узлы, обработку экспериментальных данных методом PIV, передачу обработанных данных на управляющий компьютер, управление нагревом на основе функциональной связи между скоростью течения и мощностью нагрева.

Рис. 3. Слева - зависимость мощности нагрева (в процентах от максимальной); справа – зависимость кинетической энергии циклонического движения в области.

На Рис.3. показаны временные зависимости мощности нагрева (пропорциональной средней радиальной скорости) и кинетической энергии циклонического движения. Хорошо видно, что при заданной связи между мощностью и скоростью течения выход на квазистационарный режим происходит достаточно быстро (за время 5-6 оборотов модели). Характерные колебания средней скорости и кинетической энергии являются особенностью конвективных вихревых течений в рассматриваемой системе.

Рис. 4. Векторные поля скорости, слева для t=100 с, справа для t=1500 с.

На Рис.4. показаны векторные поля скорости для двух моментов времени, показывающие различные стадии формирования циклонического вихря. Проведенный эксперимент показал работоспособность сложной связки системы измерений, многопроцессорной вычислительной системы и системы контроля нагрева.

• Назад
• Вперед