Институт системного программирования им. В.П. Иванникова РАН
Рис 1. Отношение времени работы на одну итерацию для GPU конфигурации к такому же показателю в случае использования 4 ядер CPU.
OpenFOAM — популярный open-source фреймворк, но его архитектура 1990-х годов ориентирована на CPU и неэффективно использует современные гибридные суперкомпьютеры с GPU. Активно развиваются проекты по переносу вычислений OpenFOAM на GPU. Поскольку основное время занимает решение систем линейных уравнений, большинство работ фокусируются на ускорении именно этих операций (например, AmgX4Foam, petsc4foam [1]). Преимущество подхода — отсутствие изменений в исходном коде. Однако, как отмечено в [2], доля решения линейных уравнений лишь незначительно превышает время на другие процессы (например, сборку матриц), что ограничивает ускорение согласно закону Амдала. Решение — замена всех явных циклов на GPU-вычисления [2], но это требует переписывания кода и ведёт к отставанию от актуальных версий OpenFOAM.
В данной работе сравнивается скорость вычислений для стандартных CFD-задач. Базовый подход — OpenFOAM-v2412 с декомпозицией на CPU. Сравнение проводится с библиотеками AmgX и PETSc для GPU, а также с SPUMA (переписанной библиотекой на основе OpenFOAM-v2412). Вычисления выполнены на относительно устаревшем оборудовании: NVIDIA Tesla T4 и Intel i7-9700. Результаты для задачи о естественной конвекции [3] (см. Рис. 1) показывают, что ускорение монотонно растёт с размером задачи. Подходы без SPUMA демонстрируют ограничения по ускорению.
1. Bna S., Spisso I., Olesen M., Rossi G. PETSc4FOAM: a library to plug-in PETSc into the OpenFOAM framework // PRACE. 2020.
2. Bna S., Giaquintoa G., Fadiga E., Zanelli T. SPUMA: a minimally invasive approach to the GPU porting of OPENFOAM // arXiv:2512.22215v1 . 2025
3. Davis G., Jones I. P. Natural convection in a square cavity: A comparison exercise // International Journal for Numerical Methods in Fluids. 1983. Vol. 3. № 3. P. 227–248.
Егор Павлович Павлов
Казанский (Приволжский) федеральный университет
В данном исследовании предлагается новый тестовый случай для верификации алгоритмов взаимодействия жидкости и деформируемого/движущегося тела (FSI). Задача моделирует биомиметическую пропульсивную систему: цилиндрический виброробот [1], колебания которого возбуждаются движением внутренней массы (ВМ). Направленное движение системы возникает за счет двустороннего взаимодействия с вязкой жидкостью, что аналогично принципу создания тяги машущим крылом [2].
Аналитическое решение [3], полученное методом асимптотических разложений, описывает установившийся режим самодвижения, определяя амплитуды колебаний корпуса, фазовые сдвиги и крейсерскую скорость, что дает эталон для прямого сравнения с численными результатами. Сочетание биомиметической физики, простой геометрии и полного аналитического решения делает задачу уникальным эталоном для валидации FSI-алгоритмов. Для верификации этих формул выполнено прямое численное моделирование в OpenFOAM с реализацией двухстороннего взаимодействия тела и жидкости (FSI) при характерных числах Рейнольдса Re = 50–700.
Сравнение численных и аналитических результатов (см.Рис) показывают, что средние относительные погрешности составляют 2.15% для поступательной амплитуды κ и 4.71% для вращательной амплитуды Θ. Крейсерская скорость предсказывается со средней погрешностью 8.38% для всех тестовых случаев. Возрастание погрешности по скорости при больших амплитудах ВМ (ϕ = 0.85) и высоких частотах (β > 3000) указывает на границы применимости линейной асимптотической теории и выделяет области, где необходимо высокоточное CFD-моделирование. Оба FSI-подхода дают согласованные результаты, подтверждая надежность численного подхода. А сама задача может рассматриваться как тестовый случай для верификации FSI-реализаций, разработки численных методов и в образовательных целях.
1. Egorov A., Nuriev A., Anisimov V. Optimization of the movement of a cylindrical vibration-driven robot in a viscous fluid // Lobachevskii J. Math., 2023, vol. 44, pp. 4438—4447.
2. Egorov A., Nuriev A., Anisimov V., Zaitseva O. Propulsive motion of an oscillating cylinder in a viscous fluid // Phys. Fluids, 2024, vol. 36(2), 021908.
3. Anisimov V.D, Egorov A.G, Nuriev A.N, Propulsive motion of cylindrical vibration-driven robot in a viscous fluid // Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki. - 2024. - Vol.166, Is.3. - P.277-296.
Вадим Дмитриевич Анисимов
Казанский (Приволжский) федеральный университет
Создание эффективных биомиметических движителей для подводных аппаратов требует глубокого понимания того, как кинематические параметры влияют на гидродинамическую эффективность [1]. В данной работе представлено численное исследование и оптимизация закона движения рыбоподобного пловца, совершающего волнообразные колебания. Целевой функцией выступает квазипропульсивная эффективность, вычисляемая как отношение мощности буксирования к мощности, затрачиваемой на движение в крейсерском режиме [2].
Рассматривается пловец с сечением в форме профиля NACA 0012. Кинематика срединной линии задаётся бегущей волной с полиномиальной огибающей амплитуды. За счет выбора коэффициентов c1, c2, можно определять различные режимы плавания. В данной работе будут рассмотрены скомброидный и угревидный режимы. Гидродинамика описывается уравнениями Навье–Стокса. Численное моделирование выполняется в OpenFOAM с использованием метода динамической сетки и алгоритма PIMPLE. Рассматривается движение с крейсерской скоростью, которая соответствует нулевой средней продольной силе.
Установлено, что при стандартных параметрах угревидный стиль обладает более высокой эффективностью, чем скомброидный, причём максимум для угревидного достигается при длине волны 2, что нехарактерно для природных аналогов. Проведена оптимизация параметров симплекс-методом Нелдера–Мида. Получен новый закон движения, обеспечивающий прирост эффективности более чем на 10% по сравнению с угревидным и почти на 30% по сравнению со скомброидным пловцом, а также существенно более высокую крейсерскую скорость. Трёхмерные расчёты подтвердили устойчивость найденного режима (см. Рис. 1).
Дамир Альбертович Исмагилов
ИСП РАН
Вертикально-осевые приливные турбины рассматриваются как перспективные установки для преобразования энергии морских и речных течений. При размещении таких устройств вблизи донной поверхности существенное значение приобретают процессы локального размыва, способные влиять на условия эксплуатации и устойчивость гидротехнических сооружений.
Численное моделирование донных деформаций в окрестности вращающихся турбин является вычислительно затратной задачей, поскольку требует совместного учета нестационарного течения и изменения формы донной поверхности. В связи с этим представляет интерес применение упрощенных подходов, позволяющих снизить вычислительные затраты при сохранении возможности воспроизведения основных особенностей течения.
В работе выполнено численное исследование локального донного размыва в окрестности вертикально-осевой трехлопастной турбины диаметром 1 м. Для описания воздействия турбины на поток использовался Actuator Line метод, реализованный в открытом программном комплексе OpenFOAM. Расчет донных деформаций выполнялся с использованием решателя scourFoam, учитывающего основные механизмы переноса наносов.
Показано, что размещение турбины вблизи донной поверхности приводит к формированию ускоренного потока в зазоре между турбиной и дном, увеличению придонных касательных напряжений и развитию локальной эрозии. Во всех рассмотренных случаях формируется характерная структура донных деформаций, включающая локальную размывную воронку вблизи турбины и область намыва ниже по потоку (рис. 1а). Полученные профили деформированной поверхности дна показывают, что форма лопастей оказывает заметное влияние на глубину размыва и распределение наносов в продольном и поперечном направлениях (рис. 1б, в).
Софья Павловна Ярикова
