Суперкомпьютеры в ракетно-космической отрасли

[Dude]

По-разному, т.к. считаем как природный газ высокого и низкого давления,  так и пар/воду.  А что вы называете большим числом Re для авиации/космонавтики и с чего это должно влиять на что-то кроме адекватного выбора формул моделей трения и турбулентности? Невязкие и несжимаемые модели газа сейчас вообще интересны только студентам.

Нет, я не говорю, что суперкомпьютеры не нужны. Очень даже нужны, без них сейчас уже даже прогноз погоды вовремя не будет сделан для старта. Но непонятно, какой такой прорыв космонавтике дадут увеличение детальности расчетной сетки, когда в общих расчетах ракет есть куча других гораздо больших погрешностей, что влияют на их эффективность. Как с суперкомпьютерами наперевес например собираются бороться за полную выработку топлива, т.е. за полеты без гарантийных остатков?

[АниКей]

SGI ALTIX - COLUMBIA SUPERCOMPUTER
The Columbia supercluster makes it possible for NASA to achieve breakthroughs in science and engineering for the agency's missions and Vision for Space Exploration. Columbia's highly advanced architecture is also being made available to a broader national science and engineering community.

Columbia System Facts

Manufacturer - SGI

Nodes    Type    Speed    Cache
9 Altix 3700 (512 cores)    Madison    1.5 GHz    6MB
3 Altix 3700-BX2 (512 cores)    Madison    1.5 GHz    6MB
5 Altix 3700-BX2 (512 cores)    Madison    1.6 GHz    9MB
1 Altix 4700 (512 cores)    Montecito    1.6 GHz    9MB
1 Altix 4700 (2048 cores)    Montecito    1.6 GHz    9MB
2 Altix 4700 (1024 cores)    Montvale    1.6 GHz    9MB
21 Total Compute Nodes (13,312 Total Cores)

System Architecture

    * 276 compute node cabinets
    * 88.88 teraflop/s theoretical peak (Original 10,240 system - 63 Tflop/s)

Subsystems

    * 2 Data Life Cycle (DLM) systems
    * 3 front-end nodes

Memory

    * Type - double data rate synchronous dynamic random access memory (DDR SDRAM)
    * Per Processor (core) - 2GB
    * Total Memory - 26,624GB

Interconnects

    * NUMALink interconnected single-system image compute nodes
    * Internode
          o InfiniBand - 4x (Single Data Rate, Double Data Rate)
          o 10Gb Ethernet LAN/WAN interconnect
          o 1Gb Ethernet LAN/WAN interconnect

Storage

    * Online - DataDirect Networks & LSI RAID, 1PB (raw)
          o 2 SGI CXFS domains
          o Local SGI XFS fileystems
    * Archival - Attached to high-end computing SGI CXFS SAN filesystem

Operating Environment

    * Operating system - SUSE Linux Enterprise
    * Job Scheduler - PBS
    * Compilers - Intel Fortran, C, SGI MPI

http://www.nas.nasa.gov/Resources/Systems/columbia.html

[АниКей]

NAS SOFTWARE APPLICATIONS
Cart3D
Cart3D is a high-fidelity inviscid analysis package for conceptual and preliminary aerodynamic design. It allows users to perform automated computational fluid dynamics analysis on complex geometry.

Cart3D is currently playing an integral role in NASA's Return to Flight (RTF) effort. Simulations of tumbling debris from foam and other sources, generated using Cart3D, are being used to assess the threat that shedding such debris poses to various elements of the Space Shuttle Launch Vehicle.

This image shows an unsteady Cart3D simulation used to predict the trajectory of a piece of tumbling foam debris released during ascent. The colors represent surface pressure.

Image above: This image shows an unsteady Cart3D simulation used to predict the trajectory of a piece of tumbling foam debris released during ascent. The colors represent surface pressure.

http://www.nas.nasa.gov/Resources/Applications/applications.html

[АниКей]

debris
The debris software package includes programs for computing debris trajectories relative to a vehicle in flight, for detecting possible debris impacts on any part of the flight vehicle, and for filtering, sorting, and managing very large databases of debris impacts.

The debris code is being used to compute debris trajectories, which characterize the debris environment experienced by the Space Shuttle Launch Vehicle during ascent. Understanding this debris environment is critical to NASA's Return to-Flight effort.

This image shows a number of debris trajectories computed by the debris code, which is being used to characterize the debris environment experienced by the Space Shuttle Launch Vehicle during ascent.

Image above: This image shows a number of debris trajectories computed by the debris code, which is being used to characterize the debris environment experienced by the Space Shuttle Launch Vehicle during ascent.

http://www.nas.nasa.gov/Resources/Applications/applications.html

[АниКей]

Estimating the Circulation and Climate of the Ocean (ECCO)
This application is used to conduct large-scale, high-resolution ocean modeling and analysis in the framework of the ECCO Consortium, which involves NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL), the Massachusetts Institute of Technology (MIT), and the Scripps Institute of Oceanography.

Researchers from the NASA Advanced Supercomputing Division, JPL, and MIT have partnered to dramatically accelerate development of a global eddy-resolving ocean and sea-ice reanalysis. Estimates of time-evolving ocean and sea-ice circulations are obtained by constraining the MIT general circulation model with both satellite and in-situ observations such as sea level, sea-ice extent, and hydrographic profiles. Scientists use these realistic, full-ocean-depth circulation estimates to understand how ocean currents and sea-ice affect climate, to study air-sea exchanges, to improve seasonal and long-term climate predictions, and for many other applications. This is a contribution to the consortium for ECCO.

Simulated near-surface current speed and sea-ice cover illustrate the tremendous complexity of the global-ocean and sea-ice circulations. Color scale, black to red to white, indicates current speed and ranges from 0 to 50 cm/s. Land masses are overlaid with NASA satellite imagery. White areas at the Poles depict land-ice and sea-ice.

Image above: Simulated near-surface current speed and sea-ice cover illustrate the tremendous complexity of the global-ocean and sea-ice circulations. Color scale, black to red to white, indicates current speed and ranges from 0 to 50 cm/s. Land masses are overlaid with NASA satellite imagery. White areas at the Poles depict land-ice and sea-ice.

http://www.nas.nasa.gov/Resources/Applications/applications.html

[АниКей]

The NASA Finite Volume General Circulation Model (fvGCM)
fvGCM is a global climate and weather prediction model traditionally used for long-term climate simulations at a coarse (approximately100 km) horizontal resolution.

The fvGCM code has been running on Columbia, producing real-time, high-resolution (approximately 25 km) weather forecasts focused on improving hurricane track and intensity forecasts. The code has been remarkably successful during the active 2004 Atlantic hurricane season, providing landfall forecasts with an accuracy of approximately 100 km up to five days in advance. This record marks an improvement in advanced warning beyond the typical two- to three-day lead-time.

A snapshot of clouds from the fvGCM as hurricane Frances makes landfall on the Gulf coast of Florida and hurricane Ivan intensifies in the tropical Atlantic.

Image above: A snapshot of clouds from the fvGCM as hurricane Frances makes landfall on the Gulf coast of Florida and hurricane Ivan intensifies in the tropical Atlantic.

http://www.nas.nasa.gov/Resources/Applications/applications.html

[АниКей]

INS3D
This code solves the incompressible Navier-Stokes equations in three-dimensional generalized coordinates for both steady-state and time varying flow.

During long-duration space missions, astronauts must adapt to altered circumstance of microgravity. Blood circulation undergoes significant adaptation during and after space flight. The bloodflow through an anatomical Circle of Willis configuration is simulated using the INS3D code to provide means for studying gravitational effects on the brain's circulation.

The brain uses the connective arterial tree, called the Circle of Willis, to distribute oxygenated blood throughout the brain mass. To assess the impact of changing gravitational forces on human space flight, it is essential to quantify the blood flow characteristics in the brain under varying gravity conditions.

Image above: The brain uses the connective arterial tree, called the Circle of Willis, to distribute oxygenated blood throughout the brain mass. To assess the impact of changing gravitational forces on human space flight, it is essential to quantify the blood flow characteristics in the brain under varying gravity conditions.

[АниКей]

Overflow
A computational fluid dynamics program for solving complex flow problems. Overflow is widely used by NASA and industry for designing launch and re-entry vehicles, rotorcraft, ships, and commercial aircraft, among others.

The Overflow code is being used to compute the flowfield around the Space Shuttle Launch Vehicle to study the air loads acting on the vehicle due to several design changes, and to study the potential impacts from any debris that might be shed during the ascent.

This image depicts the flowfield around the Space Shuttle Launch Vehicle traveling at Mach 2.46 and at an altitude of 66,000 feet. The surface of the vehicle is colored by the pressure coefficient, and the gray contours represent the density of the surrounding air.

Image above: This image depicts the flowfield around the Space Shuttle Launch Vehicle traveling at Mach 2.46 and at an altitude of 66,000 feet. The surface of the vehicle is colored by the pressure coefficient, and the gray contours represent the density of the surrounding air.

http://www.nas.nasa.gov/Resources/Applications/applications.html

[АниКей]

The Parallel Ocean Program (POP)
POP is the oceanic component of the Community Climate System Model (CCSM), a fully coupled global climate model that enables accurate simulations of the Earth's past, present, and future climate states.

The POP code was ported, and optimized to scale almost linearly to 512 processors of Columbia. This test case will feature a North Atlantic Ocean model at 1/10th degree resolution being simulated at about six years per day.

Surface velocity of the North Atlantic based on a simulation using the Parallel Ocean Program (POP) Version 1.4.3 with a 0.1 degree resolution.

Image above: Surface velocity of the North Atlantic based on a simulation using the Parallel Ocean Program (POP) Version 1.4.3 with a 0.1 degree resolution.

[АниКей]

PHANTOM
PHANTOM is a three-dimensional, unsteady, all-speed flow code developed for turbomachinery applications. The code, written using the Generalized Equation Set, can be applied to both gases and liquids.

Recently, the PHANTOM code has been used to do some analysis in the Flow Liner Crack Investigation. For example, to analyze the surface pressure on the Space Shuttle Main Engine's low-pressure fuel pump inducer, operating in liquid hydrogen.

Plot of the surface pressure on the Space Shuttle Main Engine's low-pressure fuel pump inducer, operating in liquid hydrogen.

Image above: Plot of the surface pressure on the Space Shuttle Main Engine's low-pressure fuel pump inducer, operating in liquid hydrogen.

http://www.nas.nasa.gov/Resources/Applications/applications.html

[АниКей]

http://www.nas.nasa.gov/News/TechHighlights/2009/8-7-09.html

NAS TECHNICAL HIGHLIGHTS
NAS Visualizations Support Analysis for Ares V Cargo Launch Vehicle

08.07.09
Recently, the NAS visualization team produced images and videos from simulations needed for Ares V vehicle design analysis.
visualization of Saturn V along the launch trajectory highlights

NAS visualization of Saturn V along the launch trajectory highlights the backward flow (shown in blue) brought on by Plume Induced Flow Separation techniques.

The team's timely, informative visualizations supported Ames researcher Cetin Kiris' modeling and simulation work being used to investigate and predict the possible effects of Plume Induced Flow Separation (PIFS) on the Ares V Cargo Launch Vehicle.

Plume-induced flow separation is a major issue to consider when designing in the vehicle. PIFS is a phenomenon in which rocket plume expansion widens at higher altitudes, causing the airflow around the vehicle to broaden and separate away from the surface. This flow separation can then cause recirculation regions that draw the hot plume further up the vehicle, with a potential to cause dangerous overheating.

To validate the accuracy of PIFS predictions for Ares V, Kiris first performed simulations using 1960s-era Saturn V flight data. Four different Mach numbers were simulated with and without plume effects using the computational fluid dynamics (CFD) code OVERFLOW. Results were compared with corresponding Saturn V flight data and showed good agreement.

Using state-of-the-art techniques such as Image Based Flow Visualization, visualization team members produced a variety of informative images and movies showing the effects of PIFS across six simulations at various Mach values, and one simulation without plume physics.

Rapid response from the NAS visualization experts allowed Kiris to communicate his results for applying this new type of analysis to Cargo Launch Vehicle with the Ares V team and colleagues at NASA Marshall Space Flight Center. The NAS team will generate more PIFS models and images for the next design cycle.
Visualization showing the side-by-side comparisons of streamlines colored by Mach number

Visualization showing the side-by-side comparisons of streamlines colored by Mach number and Image Based Flow Visualization texturing.

[Not]

А что вы называете большим числом Re для авиации/космонавтики и с чего это должно влиять на что-то кроме адекватного выбора формул моделей трения и турбулентности?

Как вы наверняка знаете, число Рейнольдса характеризует отношение инерциальных сил к силам вязкости потока. Упрощенно, низкие числа Рейнольдса обычно характеризуют ламинарное течение, высокие - турбулентное. Т.е. всевозможные вихри, солитоны и прочие аттракторы - это область высоких значений. Но в случае турбулентного обтекания вам нужно считать весь объем, кроме того резко уменьшается размер ячейки, для того чтобы отловить небольшие вихри и уменьшить эффект взаимного влияния ячеек. В частности, в процессе моделирования обтекания крыла B-747 автоматически было найдено решение по улучшению распределения давления и уменьшению индуктивного сопротивленияна пять процентов. Экономический эффект очевиден.

Но непонятно, какой такой прорыв космонавтике дадут увеличение детальности расчетной сетки, когда в общих расчетах ракет есть куча других гораздо больших погрешностей

Турбулентность в природе встречается значительно чаще, чем ламинарность.  

[АниКей]

Analysis of Highly Reliable Reusable Launch Systems Configuration

Surface Grid of the HRRLS Configuration

Surface grid of the Highly Reliable Reusable Launch Systems Configuration.
Credit: NASA Aeronautics Research MissionDirectorate, Principle Investigator, Jenn.L.Pao

http://www.nas.nasa.gov/News/Images/HRRLS.html

[АниКей]

Orion Crew Exploration Vehicle Thermal Protection System Design

DPLR simulation of a TPS sample wedge in an arc jet flow.

Representative arc jet imulation of a thermal protection system (TPS) sample wedge in an arc jet flow. Such simulations may use upwards of 180 processors for up to 5 hours, and several of these solutions are often necessary to match the experimental measurements.
Credit: NASA Exploration Systems MissionDirectorate, Principle Investigator, Michael J. Wright

http://www.nas.nasa.gov/News/Images/arcjet.html

[АниКей]

NAS NETWORKING RESOURCES
At the NASA Advanced Supercomputing (NAS) facility, innovative, high-performance networks are vital to the delivery of supercomputing resources to NASA's scientific user community.

Network engineers at the NAS facility fulfill two very important roles: to advance the state-of-the-art in networking, and to evaluate and implement appropriate networking technologies for NASA high-performance computing customers and remote NASA missions.

Networking Highlights

Network Management: The NAS Networking group developed PCMon, which supports detailed analysis of individual IP packet flows. Monitoring tools typically provide information relating to overall performance of the aggregate traffic in the core of the network, but do not provide insight into the performance of a specific application or IP connection. PCMon enables relative performance measurement (bandwidth, utilization, latency) between competing IP traffic flows, as well as the more traditional measurements of performance on an end-to-end basis and in the core network.

The NAS Networking group developed PCMon, which supports detailed analysis of individual IP packet flows

Image above: The NAS Networking group developed PCMon, which supports detailed analysis of individual IP packet flows

http://www.nas.nasa.gov/Resources/Networks/networks.html

[Dude]

Турбулентность в природе встречается значительно чаще, чем ламинарность.  

Дык, это всё понятно. Но, во-первых, моделей турбулентности совсем не одна и не две, если считать частные случаи и небольшие диапазоны Re, которые в практике и встречаются, то без подгонки человеческой головой параметров этих моделей все равно пока не обойтись.

В общем, у меня нет никаких сомнений в полезности суперкомпьютеров как таковых, мое сомнение в том, так ли нужны суперкомпьютеры для расчетов аэродинамики или еще чего-то для новых РН, если мы видим, как разработчики во многих местах жертвовали оптимальностью аэродинамики, например ради выигрыша в компоновке. Или вообще, в нашей реальности, многим жертвуют ради того, чтобы была возможность перевозить по ЖД...  

Поэтому и возникает закономерный вопрос, какой прорывной мюПН нам следует ждать от применения суперкомпьютеров по сравнению с теми РН,  что были разработаны без них?

[zyxman]

По-разному, т.к. считаем как природный газ высокого и низкого давления,  так и пар/воду.  А что вы называете большим числом Re для авиации/космонавтики и с чего это должно влиять на что-то кроме адекватного выбора формул моделей трения и турбулентности?

Так вы ракеты считаете или какой-то другой частный случай?

Я к тому, что есть такие частные случаи, где при аккуратном подходе хватает не то что персоналки а даже программируемого калькулятора.
А вот обтекание крыла с механизацией крайне сложно в какой-то частный случай загнать, потому что там на самом деле большой диапазон чисел Рейнольдса, и эти числа заранее неизвестны.

[zyxman]

так ли нужны суперкомпьютеры для расчетов аэродинамики или еще чего-то для новых РН, если мы видим, как разработчики во многих местах жертвовали оптимальностью аэродинамики, например ради выигрыша в компоновке. Или вообще, в нашей реальности, многим жертвуют ради того, чтобы была возможность перевозить по ЖД...  

Есть нехорошее подозрение, что мы очень нескоро это узнаем, потому что оптимизируют как раз то, что действительно крайне критично, то есть например военку, и как раз чтобы вытянуть еще какие-то крохи ХС.
Например, вероятно можно добиться снижения сопротивления каким-то хитрым покрытием типа акульей кожи (ну собственно уже сделали такие костюмы для олимпийских пловцов).

Поэтому и возникает закономерный вопрос, какой прорывной мюПН нам следует ждать от применения суперкомпьютеров по сравнению с теми РН,  что были разработаны без них?

См выше. Никакой, потому что мюПН сейчас не главный критерий

[Dude]

Не понял вопроса. Не хотите ли вы сказать, что в Боинге считали не зная режима обтекания для этого крыла? Очевидно, что они решали задачу оптимизации и по словам Not, добились своего ввиде тех самых 5%. Поэтому и вопрос сколько прибавки в процентах нам даст их же подход. И стоит ли это потраченных денег, времени и усилий. Может их лучше повернуть совсем в другое русло...например в модернизацию бортовой ЭВМ, новые алгоритмы, новые датчики, новые исполнительные механизмы и т.п.

[zyxman]

Не понял вопроса. Не хотите ли вы сказать, что в Боинге считали не зная режима обтекания для этого крыла?

Знали конечно. Приблизительно.

Просто режим полета с выпущенной механизацией очень специфический - он обычно происходит на относительно малой скорости (точно могу сказать, что были авиакатастрофы, когда механизацию выпускали на слишком большой скорости, ее разламывало и самолет бился), и кроме того крыло разбивается на много участков, работающих по разным принципам (у них там по идее предкрылки и щелевые закрылки), плюс при разном угле отклонения тоже аэродинамика отличается, плюс у поверхности действует экранный эффект, плюс неплохо-бы еще турбулентность у поверхности съимитировать, тк у поверхности очень мал запас высоты и времени для выхода из критических режимов.

Очевидно, что они решали задачу оптимизации и по словам Not, добились своего ввиде тех самых 5%

Совершенно верно.

стоит ли это потраченных денег, времени и усилий. Может их лучше повернуть совсем в другое русло...

Это условие задачи оптимизации
- Конкретно для широкофюзеляжника, каждый процент оптимизации очень быстро возвращается в виде продаж, или как какие-то бонусы для сервиса (сделать работу быстрее, либо взять с клиента дополнительные деньги за какую-то оптимизацию уже проданного самолета), и/или биржевой стоимости акций фирмы, и/или еще какими-то бонусами для фирмы.
Кстати, возможен вариант, что какие-то оптимизации достигаются изменением программы бортового компьютера, без физической модернизации самолета (но все равно нужно провести моделирование).

Собственно смысл применения суперкомпьютеров в том, что при грамотном использовании они позволяют ускорить и/или удешевить оптимизационные работы, тк изменение матмодели вместе с прогоном рассчетов, бывает быстрее и/или дешевле натурных испытаний.
И с каждым годом компьютерная техника развивается, и благодаря этому все чаще оптимизация с суперкомпьютером оказывается выгоднее натуры.