Numerische Strömungsberechnungen für den

Numerische Strömungsberechnungen für den

Numerische Strömungsberechnung für den
Technologiedemonstrator PHOENIX
Michael Hesse, Birgit Reinartz, Josef Ballmann
Lehr und Forschungsgebiet für Mechanik, RWTH Aachen
• Motivation
• Physikalisches Modell und
Numerische Methode
• Gitter Generierung
• Parallelisierung
• Ergebnisse
• Zusammenfassung
DGLR Luft und Raumfahrt 3/2001
Motivation
• Im Rahmen des nationalen ASTRA Projektes wurde der Technologieträger PHOENIX realisiert.
• Ziel des Projektes ist der europäische Raumtransporter HOPPER.
Technische Daten
• 50 m Länge
• 500 t Gewicht
• 3 Vulkan 3R Triebwerke
• Nutzlast: 7,5 t
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Hesse et al.
Hochleistungsrechnen auf dem Sun Fire SMP Cluster, 13. Oktober 2005,
RWTH Aachen
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Motivation
• PHOENIX wurde zur Analyse der physikalischen Effekte während Start
und Landung konstruiert.
• Ein Helikopter bringt PHOENIX auf eine Höhe von 3500 m.
• PHOENIX landet vollautomatisch.
• Ende der Testphase für den PHOENIX war im Frühjahr 2004.
DGLR Luft und Raumfahrt 3/2001
Hesse et al.
DGLR Luft und Raumfahrt 3/2001
Hochleistungsrechnen auf dem Sun Fire SMP Cluster, 13. Oktober 2005,
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Aufgabenstellung
•
Detaillierte Analyse des Strömungsfeldes für die Clean Configuration
des PHOENIX für supersonische und hypersonische Fluggeschwindigkeiten
•
Berechnung der aerodynamischen Beiwerte, wie beispielsweise
Auftrieb, Widerstand oder Nickmoment.
•
Vergleich der numerischen Ergebnisse mit experimentellen Daten
aus dem Stoßwellenlabor der RWTH (SWL).
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Physikalisches Modell
Transportgleichungen
•
•
•
Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls (3) und Energie
Turbulente Größen (0-6)
Massenbrüche für diverse Elemente (4)
⇒ Das zu lösende Gleichungssystem besteht aus mindestens 5 und
maximal 15 Gleichungen der (expliziten) Form:
U
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n +1
= U + ∆t f (U )
n
n
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Numerische Methode
Strömungslöser: DLR FLOWer Code (Version 116.x)
• 3D kompressible Euler/ RANS Gleichungen für perfektes Gas
• Blockstrukturiertes Finite Volumen Verfahren
• Upwind Diskretisierung für die Euler Gleichungen (e.g. AUSM, AUSMDV)
• Explizite Zeit Integration (5 stufiges Runge Kutta Verfahren)
• Konvergenzbeschleunigung: Lokale Zeitschrittweiten, Multigrid, Imp.
Residuen Glätten
• Turbulenz Modellierung: Baldwin Lomax, k-ω, Spalart-Allmaras, EARSM
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Grid Generation
Block-Topologie
• Halbmodell des PHOENIX (CAD Modell)
• Blockstrukturiertes Gitter (MegaCads, ICEMCFD)
• 28 Blöcke mit ca. 4.5 Mio. Gitterpunkten
• Anzahl der Gitterpunkte stark unterschiedlich in
den einzelnen Blöcken
• ca. 150 Punkte in Umfangsrichtung
• ca. 250 Punkte entlang der Längsachse
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Gitter Generierung
Vertikale
SymmetrieEbene
Hesse et al.
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Gitter Generierung
Hesse et al.
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Hybride Parallelisierung
• Block basierte MPI-Parallelisierung.
- Datenaustausch zwischen einzelnen Gitterblöcken durch FLOWereigene MPI Bibliothek (CLIC-3D).
- Automatische Lastverteilung durch den FLOWer-Code ist durch
Blockanzahl und Blockgröße beschränkt.
⇒ Reines MPI für die PHOENIX Rechnungen wegen großer Unterschiede in den Blockdimensionen (kleinster Block ca. ~23k, größter
Block ca.~550k Gitterpunkte) nicht effizient.
• Automatische (Compiler basierte) OpenMP Parallelisierung.
⇒ Hybrider Ansatz verbessert die Performance durch Reduktion
der MPI Prozesse und Einführung von Threads.
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Hybride Parallelisierung
Testrechnungen: Alexander Spiegel, ReZe
Hesse et al.
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Hybride Parallelisierung
Testrechnungen: Alexander Spiegel, ReZe
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Hybride Parallelisierung
Testrechnungen: Alexander Spiegel, ReZe
Hesse et al.
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Ergebnisse
Numerisch berechnete Dichtegradienten
Schlierenaufnahme aus dem
Stoßwellenlabor der RWTH Aachen
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Ergebnisse
Dichteverteilung in der Symmetrie-Ebene bei hohem Anstellwinkel und
ausgeschlagener Flügelklappe (Navier-Stokes Rechnung)
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Ergebnisse
Machzahlverteilung in der Symmetrie-Ebene
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Ergebnisse
Aerodynamische Beiwerte der PHOENIX Clean Configuration
PHOENIX Gleitzahl
Nickmoment
M = 2,00
M = 2,50
M = 3,00
M = 3,50
M = 6,00 (EADS)
M = 6,90 (Exp.)
0,03
2,0
-0,01
CA/CW
Cm
0,01
1,5
15
-0,03
20
25
30
M = 2,00
M = 2,50
M = 3,00
M = 3,50
M = 6,00 (EADS)
M = 6,90 (Exp.)
Anstellwinkel
Hesse et al.
35
40
1,0
15
20
25
30
35
40
Anstellwinkel
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Ergebnisse
Aerodynamische Beiwerte des PHOENIX mit Klappenausschlag
Nickmoment
Auftriebsbeiwert
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0,30
Cm
CA
0,40
M = 6,00 (EADS)
M = 6,90 (FLOWer)
M = 6,90 (Exp.)
0,20
0
5
10
15
20
25
Klappenwinkel [o ]
Hesse et al.
30
35
40
0,00
-0,01 0
-0,02
-0,03
-0,04
-0,05
5
10
15
20
25
30
35
40
M = 6,00 (EADS)
M = 6,90 (FLOWer)
M = 6,90 (Exp.)
Klappenwinkel [o ]
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Zusammenfassung
Gitter Generierung
• 3D blockstrukturierte Gitter zur Strömungsberechnung um die PHOENIX Clean
Configuration (reibungsfrei und mit Berücksichtigung der Viskosität).
• Hohe Gitterqualität verbessert Stabilität (Rechnung) und Genauigkeit (Lösung).
• Gitterpunkteverteilung und Blockeinteilung ist sehr wichtig zur Beschleunigung
des parallelen Verfahrens.
Parallelisierung
• Parallelisierung für den PHOENIX Testfall zwingend erforderlich.
• Ab 11 Prozessoren kein Speed-Up durch MPI-Parallelisierung.
• Hybride Parallelisierung verringert die CPU Zeit nochmals deutlich
Ergebnisse
• Berechnete aerodynamische Beiwerte stimmen gut mit den im SWL gemessenen
Daten überein. Dies erlaubt eine gute Vorhersage der Flugeigenschaften des
PHOENIX Technologiedemonstrators.
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