Сетевой интерфейс к солверу SINF для численного моделирования термо-гидродинамических процессов в информационно-вычислительной среде I&CS₂

А.М. Левченя¹, Д.С. Рыков²

1Санкт-Петербургский государственный технический университет,

Санкт-Петербург, 195251, ул. Политехническая, 29

2Тверской государственный технический университет, Тверь, 170026, наб. А. Никитина, 22

1 Введение

Современный численный эксперимент в области гидроаэродинамики, связанный с анализом течений и тепломассообмена в областях со сложной геометрией, требует наличия у пользователей сложных программно-аппаратных комплексов и больших затрат на обучение. Это препятствует широкому использованию современных программных средств вычислительной гидродинамики в среде исследователей и для целей обучения.

Для решения этих проблем разрабатывается информационно-вычислительная среда I&CS₂ [1], обеспечивающая свободный доступ к вычислительным и информационным ресурсам через сеть Internet. Вычислительный ресурс система на начальном этапе был ограничен солвером FRACADM, который был предназначен для численного решения двумерных/осесимметричных уравнений Навье-Стокса. Программа была ориентирована на решение многопараметрических задач моделирования течения несжимаемой жидкости и конвективного теплообмена в прямоугольных или цилиндрических полостях, во вращающихся осесимметричных емкостях, а также на задачи с полностью развитым (в продольном направлении) течением во вращающихся прямолинейных или криволинейных каналах.

К настоящему времени в систему интегрирован более универсальный солвер SINF [2]. Установленная версия этого солвера позволяет моделировать двух- и трехмерные стационарные невязкие и вязкие течения, несжимаемые и сжимаемые дозвуковые течения, ламинарные и турбулентные течения, конвективный теплообмен, а также эффекты плавучести и вращения. Пространственная область течения покрывается структурированной одноблочной сеткой. Течения описываются полной системой уравнений Навье-Стокса или Эйлера с добавлением уравнений переноса энергии и транспортными уравнениями для характеристик турбулентности. В данной версии SINF моделирование турбулентного переноса осуществляется на основе высоко- и низко-рейнольдсовых k-eps моделей турбулентности.

При постановке задач используются разнообразные граничные условия: многосегментный вход в моделируемую область с заданной скоростью и температурой и выход с заданным давлением. Твердые граничные поверхности могут быть стационарными, движущимися, с заданной температурой, с заданным тепловым потоком или внешним параметром теплопередачи. В случае применения высоко-рейнольдсовой модели турбулентности используются пристеночные функции. На части свободных поверхностей возможно задание условия зеркальной симметрии, трансляционной или вращательной периодичности. Уравнения решаются методом контрольного объема второго порядка точности в сочетании с методом искусственной сжимаемости.

Рис. 1. Структура вычислительно ресурса.

При создании сетевых интерфейсов солверов FRACADM и SINF использовались различные подходы, на их достоинства и недостатки следует обратить особое внимание в свете дальнейшей разработки информационно-вычислительной системы. При создании современных вычислительных систем стараются вместо одного мощного компьютера использовать распределенную сеть ЭВМ. С учетом этой тенденции развитие среды I&CS₂ было направлено на создание распределенного информационно-вычислительного ресурса, способного функционировать в гетерогенных аппаратных комплексах.

2 Структура ИВС

Информационно-вычислительная среда I&CS₂ состоит из базы данных калибровочных расчетов, представляющих основные категории течений, менеджера задач и средств on-line визуализации данных (рис. 1).

Имеющиеся в системе солверы зарегистрированы в базе данных ИВС. Начиная работу с новой задачей, пользователь регистрируется и загружает с помощью стандартного Web-браузера менеджер задач, выполненный в виде Java-апплета. Менеджер задач обращается к базе данных и получает список доступных солверов. Затем пользователю предлагается задать имя задачи и выбрать используемый солвер. На основании этой информации менеджер задач создает рабочую директорию для проекта моделирования и регистрирует новую задачу в базе данных. Зарегистрировав задачу, пользователь получает возможность задать ее параметры с помощью соответствующего интерфейса, ассоциированного с каждым типом солвера. Кроме того, имеется возможность получить расчетные данные задач в виде файлов, либо воспользоваться on-line средствам визуализации - программой NetLeo, также выполненным в виде Java-апплета. В процессе работы над проектом пользователь может перезапустить зарегистрированную задачу, изменить ее параметры, провести численный эксперимент для оптимизации решения, сохранить или удалить отдельные задачи.

3 Сетевой Интерфейс NetSINF

До настоящего времени вычислительный ресурс содержал только солвер FRACADM с сетевым интерфейсом ABCREAD (Analysis of Buoyancy Curvature Rotation Effects in Annuli and Ducts) (рис. 2).

Рис. 2. Сетевой интерфейс ABCREAD.

Сетевой интерфейс ABCREAD выполнен в виде Java-апплета. Это помогает создать развитой пользовательский интерфейс, например, с возможностью визуального задания граничных условий. Кроме того, Java представляет собой полноценный язык программирования, что способствует формированию сложной программной логики. Такой подход требует наличия у пользователя довольно мощных аппаратных ресурсов. Это входит в некоторое противоречие с идеей "тонкого" клиента, особенно при использовании информационно-вычислительной системы для организации вычислений на устаревающей технике.

Для преодоления проблемы нехватки ресурсов клиентских компьютеров для запуска поддерживающих Java браузеров, сделана попытка реализации сетевого интерфейса солвера SINF как набора HTML-документов с использованием JavaScript- и CGI-скриптов для формирования, записи и загрузки данных в поля интерфейса. Представленный на рисунке 3 сетевой интерфейс NetSINF не требует больших ресурсов клиентского компьютера, но, к сожалению, его эксплуатация выявила ряд недостатков такого подхода, рассмотренных далее.

Рис. 3. Сетевой интерфейс NetSINF.

Сетевой интерфейс NetSINF содержит набор HTML-страниц, образующих фреймовое оформление сетевого интерфейса, и формы для задания внешних сил, модели жидкости, параметров уравнений энергии, режима течения и выбора модели турбулентности, расчетной сетки, граничных условий и т.д. Эти формы, за исключением форм выбора расчетных файлов, содержат JavaScript-код, который копирует рабочие параметры задачи из главного фрейма интерфейса.

Для загрузки параметров задачи и их записи во входные файлы солвера разработаны CGI-скрипты, получающие идентификатор задачи и размещающие входные файлы солвера в требуемой директории. Первоначально была сделана попытка использования скриптового языка PHP3 для организации требуемой функциональности, однако разработка показала, что использование классического Perl варианта более эффективно и, кроме того, снимает некоторые проблемы, связанные с переносом системы с компьютера разработчика на реальный сервер.

Модуль задания граничных условий, представляющий собой самую сложную часть сетевого интерфейса NetSINF, имеет схожую с основной системой структуру и одновременно показывает самые большие недостатки системы, базирующейся на JavaScript. Это проявляется в большой сложности задания параметров граничных условий через HTML-формы и в ограниченной поддержке массивов данных в JavaScript, что резко усложняет логику программы и ведет к росту числа возможных ошибок.

В NetSINF предусмотрена небольшая библиотека предопределенных расчетных сеток, представляющая собой наиболее часто встречающиеся случаи моделирования течений. Имеется также возможность загрузки сетки, созданной пользователем.

4 Дальнейшее расширение системы

Развитие системы направлено на внедрение распределенной и параллельной обработки данных. Наличие различных программно-аппаратных комплексов делает необходимой поддержку гетерогенной вычислительной среды. В этом аспекте следование мировым стандартам играет очень важную роль. Одним из самых перспективных решений в этой области является CORBA (Common Object Request Broker Architecture) [3]. Она позволяет располагать вычислительные ресурсы на компьютерах различных архитектур и с различными операционными системами, осуществляя стандартизированный обмен данными, поддержку стандартного описания программных интерфейсов и объектно-ориентированного подхода.

При эксплуатации сетевого интерфейса NetSINF было выявлено, что различные пользователи предъявляют разные требования к формату расчетных сеток. Различия могут простираться от разного количества пробельных символов при перечислении параметров, до полностью несовместимых форматов.

CORBA позволяет создать формальное описание задачи применения различных солверов, используя иерархию классов, представляющую общие понятия в области гидроаэродинамики.

Рис. 4. Отношение классов описания задач.

Так представленная на рисунке 4 иерархия содержит базовый класс Task, описывающий вычислительную задачу вообще и имеющий такие атрибуты, как имя задачи, пользователя, которому она принадлежит, дату создания, модификации и т.д. Далее, с помощью наследования, специфицируются конкретные классы. При этом используются такие объекты, как, например, расчетная сетка, входные данные, параметры и др., путем применения к ним отношения использования или агрегации.

Кроме того, использование CORBA обеспечивает гетерогенную среду для компонентов вычислительной системы, позволяя располагать вычислительные ресурсы в различных узлах сети. Этот подход хорошо дополняется кластерными решениями, например основанными на MPI, для организации параллельных вычислений.

5 Заключение

В процессе создания сетевого интерфейса NetSINF было выявлено, что

• для реализации сетевого интерфейса пользователя Java предлагает большие возможности. Так, работа с большим объемом on-line 3D графики требует обязательного наличия Java-апплетов. Использование JavaScript может быть оправдано недостаточными ресурсами, однако это сильно усложняет программирование.
• Скриптовый язык общего назначения Perl обеспечивает большую гибкость приложения. Возможно, по мере роста производительности предпочтение надо отдать Java-сервлетам.
• Использование CORBA дает стандартное описание интерфейсов и обеспечивает гетерогенную вычислительную среду.

Авторы благодарят РФФИ за поддержку работы (Грант 99-07-90103).

Список литературы

1. Горячев В.Д., Рис В.В., Рыков Д.С., Смирнов Е.М. Информационно-вычислительная система для моделирования термо-гидродинамических процессов на основе Internet технологий // Научный сервис в сети Интернет: Тезисы докладов Всероссийской научной конференции (20-25 сентября 1999 г., г. Новороссийск). - М.:Изд-во МГУ, 1999. -340 с.
2. Smirnov E.M. Numerical Simulation of Turbulent Flow and Energy Loss in Passages with Strong Curvature and Rotation Using a Three-Dimensional Navier-Stokes Solver, Rept., "Research in Brussels", Dept. Fluid Mech., Vrije Universiteit Brussel, 1993
3. The Common Object Request Broker: Architecture and Specification. Revision 2.3.1. Framingham, MA: Object Management Group, 1999

Initially performed as network part of SELIGER (System of Embedded-Linked Information and Graphics for Engineers and Researches) the informational computational subsystem contained only FRACADM (Flow in Rotating Axisymmetric Cavities And in Ducts) solver. Current article dedicates to consider the network interface of SINF solver and to compare advantages and disadvantages of different development approaches. Project is discussed from the point of view of subsequent development of I&CS₂: distributed informational computational environment freely accessible on-line via Internet (http://seliger.tversu.ru).

Ссылка на данную работу: Левченя А.М., Рыков Д.С. Сетевой интерфейс к солверу SINF для численного моделирования термогидродинамических процессов в информационно-вычислительной среде I&CS2. В кн.: Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Труды Тринадцатой Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. Том I.- М.: Изд-во МЭИ, 2001. Стр.124 - 126.