УГАТУ «СУПЕРКОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ» (СКТЕММ-2011) Суперкомпьютерные технологии в научных исследованиях и учебном процессе УГАТУ Газизов Р.К. (Уфимский государственный авиационный технический университет, УГАТУ) г. Якутск, СВФУ, 29 ноября 2011

УГАТУ Содержание доклада 1. Развитие кластерных систем в УГАТУ. 2. Использование кластерных систем. 3. Подготовка кадров.

УГАТУ Динамика роста вычислительных мощностей кластерных систем УГАТУ 12xAlpha x2xPIII x2xPIII xAthlonXP x2xXeon5300 Динамика пиковой производительности, Гфлопс

УГАТУ Суперкомпьютер УГАТУ (2007 г.) 532 четырехядерных процессора Intel Xeon ГГц 266 двухпроцессорных узлов полная оперативная память 2.15 ТБ (8ГБ на узле) дисковая память 26.7 ТБ ленточная библиотека 8.8 ТБ коммуникационная среда – Infiniband (10 Гбит/с) операционная система – RedHat Enterprise Linux 4.4 потребляемая мощность 100 КВт область применения – научно- проектные работы и учебный процесс. R peak = Тфлопс R max = Tфлопс (77.2%) 25 в ТОП 50 (сентябрь 2011 г.)

УГАТУ ТОП50: суперкомпьютер УГАТУ

УГАТУ Лицензионное прикладное ПО Программный продуктКол-во лицензий ANSYS 1ANSYS Academic Research25 2ANSYS Academic Research LS-DYNA25 3ANSYS Academic Research HPC64 4ANSYS Academic Research LS-DYNA HPC32 5ANSYS Academic CFD Turbo Tools1 CD-adapco 1STAR-CD for classroom12 2STAR CCM+ for classroom12 3STAR-CAD/Solid Works for classroom12 4STAR-CD4 5STAR-CCM+4 6STAR/HPCdomains32 7ES-ICE1 Mathworks 1MATLAB Classroom50 2Simulink Classroom50 3Tools and Toolboxes Classroom390 4MATLAB Distributed Computing Server Academic128 Maplesoft 1 Maple Universities Academic 25 2 HPC-Grid Cluster Edition 1

УГАТУ Сервер лицензий прикладного ПО Суперкомпьютер Сервер лицензий Рабочие места

УГАТУ Компьютерное моделирование в конструкциях и аппаратах нефтедобычи 1. Расчет узла смешения в системе совместной транспортировки нефти и газа. 2. Моделирование гравитационного разделения трехфазной смеси в нефтегазоводяном сепараторе. 3. Исследование нестационарных режимов работы компактного циклонного мультифазного сепаратора. (совместно с ООО «РН-УфаНИПИНефть»)

УГАТУ Расчет узла смешения в системе совместной транспортировки нефти и газа Вход газа Диаметр 700 мм Расход газа м 3 /сут при н.у. (v=7.58м/с) Вход нефти Диаметр 500 мм Расход нефти м 3 /сут. (v=1.13м/с) Выход Диаметр 800мм Давление в узле смешения 27,5 атм Температура 25 С Расчётная сетка ANSYS CFX содержит ячеек Задача: исследовать устойчивость работы узла смешения

УГАТУ Компьютерное моделирование в задачах нефтедобычи Колебания поверхности раздела фаз в наклонной трубе

УГАТУ Расчет узла смешения в системе совместной транспортировки нефти и газа

УГАТУ Моделирование гравитационного разделения трехфазной смеси в нефтегазоводяном сепараторе Цель: сравнение эффективности двух конструкций сепараторов непрерывного действия с разным количеством перегородок. Сепараторы имеют форму горизонтального цилиндра, первый имеет три перегородки, второй одну. Результат: показано, что более эффективной является конструкция сепаратора с тремя перегородками.

УГАТУ Моделирование компактного многофазного циклонного сепаратора Предназначен для раздельного учета продукции скважины: жидкость - газ. Принцип действия За счет тангенциального подвода и лопаточного колеса организуется закрутка потока, в результате смесь делится на компоненты различной плотности (жидкость - газ). После отдельного замера компоненты потока объединяются для последующей транспортировки. Проблема Установленный на месторождении «Ванкор» сепаратор не обеспечивает заявленную степень сепарации, что приводит к ошибкам измерения продукции. На выходе из сепаратора объемное содержание газа в нефти превышает 5 %. Принципиальная схема сепаратора

УГАТУ Моделирование компактного многофазного циклонного сепаратора Внешний вид сепаратора

УГАТУ Моделирование многофазного циклонного сепаратора Свойства сред Нефть: Плотность = 889 кг/м 3, Вязкость = Па·с. Газ: Вязкость = 1, Па·с Параметры потока Вход: Расход м 3 /сут; Газ. фактор м 3 /м 3 Выходы: Давление атм Геометрическая и сеточная модели 207 тыс. многогранных ячеек

УГАТУ Моделирование компактного многофазного циклонного сепаратора Показано, что резкое повышение газового фактора при неизменном положении нижнего клапана приводит к падению уровня жидкости в сепараторе со скоростью 0.4…0.8 м/с при перепаде давлений на выходе от 0,5 до 1,5 атм. В результате возможно образование газовой воронки, нарушающей режим работы сепаратора. Время образования газовой воронки составляет 1 – 2 сек. R=100 R=300 R=500 R=1000 Газовый фактор:

УГАТУ 1. Моделирование двухфазного течения в аппарате окисления нефтяных остатков. 2. Моделирование установки для производства вспенивающегося полистирола методом прямого насыщения расплава. Компьютерное моделирование в задачах нефтехимпереработки (совместно с ОАО «Салаватнефтеоргсинтез»)

УГАТУ Моделирование двухфазного течения в аппарате окисления нефтяных остатков Схема колонны окисления Проблема: нестабильная работа окислительной колонны и неудовлетворительное качество продукта (гудрона). Причина: устройство смешения не обеспечивает требуемых параметров процесса. Решение: оптимизация конструкции смесительного устройства с помощью моделирования движения воздушного потока через слой гудрона в окислительной колонне с различными вариантами конструкции смесителя.

УГАТУ Исходная конструкция Смеситель-конус Расширенные сопла Смеситель- шнек Объемная доля гудрона при различных конструкциях смесителя Результат: конструкция со смесителем- шнеком максимально умень- шает заброс гудрона и обеспечивает эффективную работу колонны Моделирование двухфазного течения в аппарате окисления нефтяных остатков

УГАТУ Моделирование установки для производства вспенивающегося полистирола Придание огнестойкости вспененному полистиролу происходит благодаря синтетической добавке – т. н. мастербатч (МВ). Проблема: при прохождении смеси полистирола с МВ через теплообменник и смеситель не достигалось равномерное смешение компонентов на выходе

УГАТУ Моделирование установки для производства вспенивающегося полистирола Задача: модификация узла смешения установки по производству полистирола для обеспечения требуемого уровня гомогенности смеси.

УГАТУ Моделирование установки для производства вспенивающегося полистирола Решение: модернизация устройства подвода МВ (что значительно менее затратно, чем установка дополнительного смесителя и реконструкция всей линии). мастербатч полистирол

УГАТУ Моделирование установки для производства вспенивающегося полистирола Результаты моделирования – одиночный впрыск

УГАТУ Моделирование установки для производства вспенивающегося полистирола Результаты моделирования – множественный впрыск

УГАТУ Моделирование процесса линейной сварки трением (совместно с ОАО УМПО)

УГАТУ Моделирование процесса линейной сварки трением Применение линейной сварки трением Преимущества: нет необходимости в тщательной обработки области контакта; низкие энергозатраты; возможность сваривать сложные конструкции; высокая прочность сварного соединения. Автомобильная промышленность Авиация

УГАТУ Изготовитель: ACB, Nantes, France. Параметры: амплитуда: ±0.2 – ±4 мм, частота: 15 – 75 Гц, осадка: 0.5 – 5 мм, либо прижимная сила: до 60 кН Process Development System (PDS) Моделирование процесса линейной сварки трением

УГАТУ Manufacturing Development System (MDS) Моделирование процесса линейной сварки трением Изготовитель: ACB, Nantes, France.

УГАТУ Моделирование процесса линейной сварки трением Сваренные образцы

УГАТУ Моделирование процесса линейной сварки трением нагрев в области контакта пластическая фаза останов движения и проковка движение + нагрузка = трение нагрузка движение * Стадии процесса ЛСТ

УГАТУ Моделирование процесса линейной сварки трением Пример цикла линейной сварки трением

УГАТУ Моделирование процесса линейной сварки трением Замедленное движение 1/50

УГАТУ Моделирование процесса линейной сварки трением Постановка задачи Нижняя грань нижнего бруска жестко закреплена. Размеры каждого бруска 26мм×13мм×5мм Рассматривается адиабатический процесс. Моделирование процесса ЛСТ до достижения значительных пластических деформаций. Движение верхней грани верхнего образца по закону: А = 2мм f = ω/2π = 50 Гц Приложенное давление P = 340 МПа (~35 кН) Материал титановый сплав ВТ6 Коэффициент трения:

УГАТУ Моделирование процесса линейной сварки трением Особенности моделирования процесса ЛСТ: – большие градиенты температур и напряжений, – высокая скорость протекания процесса Достаточно большой объем вычислительных ресурсов, необходимых для проведения моделирования Необходимость использования многоядерных и многопроцессорных вычислительных систем Моделирование ЛСТ

УГАТУ Моделирование процесса линейной сварки трением Моделирование ЛСТ в DEFORM-3D

УГАТУ Моделирование изготовления полой лопатки (совместно с ОАО УМПО)

УГАТУ Моделирование изготовления полой лопатки Преимущества использования полой лопатки получение облегченных итоговых конструкций, таких как блиски авиационных двигателей; увеличение массы полезной нагрузки; увеличение максимальной скорости полета и маневренности ЛА.

УГАТУ Моделирование изготовления полой лопатки в режиме обычных деформаций (DEFORM-3D) Моделирование изготовления полой лопатки

УГАТУ Моделирование изготовления полой лопатки в режиме сверхпластичности (DEFORM-3D) Моделирование изготовления полой лопатки

УГАТУ Создание пакета моделирования фильтрационных течений в пористых средах (совместно с ООО «РН-УфаНИПИнефть»)

УГАТУ Этапы развития сотрудничества 2003 – начало разработки симулятора 2005 – MPI-версия для схемы IMPES 2006 – OpenMP-версия для полностью неявной (Fully Implicit) схемы 2006 – начало работы над MPI-версией для схемы Fully Implicit 2007 – сертификация программного комплекса BOS (тесты SPE) 2008 – параллельная версия 2009 – использование GPU

УГАТУ Особенности пакета NGT BOS Гидродинамический симулятор 1-3 фазные Black-oil модели Расчет на сетках с различной геометрией (блочно-центрированная, геометрия угловой точки) Модели скважины (горизонтальные, эффекты перетока) Модели трещины Модуль препроцессинга Модуль постпроцессинга Клиент-серверный интерфейс для запуска расчетов на кластере Сертифицирован на тестах SPE

УГАТУ Параллельная версия симулятора (MPI)

УГАТУ Проблемы адаптации гидродинамической модели резервуара

УГАТУ Для аппроксимации целевой функции используется радиально- базисная нейронная сеть (РБНС)þ Полное использование информации, появляющейся в процессе оптимизации, для обучения НС Возможность скачкообразного улучшения решения нейросетевым контуром Следствие: снижение ресурсоемкости задачи адаптации Гибридный генетический алгоритм с использованием нейронной сети (ГА+НС)

УГАТУ Образовательный процесс 1.Студенты специальностей «Прикладная математика» и «Прикладная математика и информатика» 4 семестр – « Основы параллельного программирования» 6 семестр – «Архитектура ЭВМ» 7 семестр – «Системное ПО многопроцессорных вычислительных систем» 8 семестр – «Методы и средства параллельного программирования» «Компьютерное моделирование» 9 семестр – «Вычислительные алгоритмы линейной алгебры»

УГАТУ Образовательный процесс 2. Студенты факультета информатики и робототехники специальность – Вычислительные машины, комплексы и сети 8 семестр – « Основы суперкомпьютерных технологий» 3. Магистранты факультета «Авиационные двигатели» 9 семестр – «Основы суперкомпьютерных технологий» 10 семестр – «Основы компьютерного моделирования технических систем» В 2005 г. примерно 30 выпускников УГАТУ владели параллельным программированием. В г.г. – около 60 человек. В г.г. – около 120.

Благодарю за внимание! Международная конференция «CКТЕММ-2011» г. Якутск, СВФУ, ноября 2011 г. УГАТУ