Цифровые двойники – универсальный инструмент исследования процессов и технологий

В нашем университете в рамках Стратегического проекта «Ядерные энерготехнологии нового поколения и экстремальные состояния вещества» программы «Приоритет 2030» осуществляется подпроект «Математическое моделирование физических процессов в экстремальных условиях». Что такое физико-математические модели и цифровые двойники, и зачем они нужны – рассказываем подробно.

Физико-математические модели и создаваемые на их основе цифровые двойники – позволяют исследовать физические процессы там, где реальные эксперименты нежелательны или просто невозможны. Виртуальные исследования к тому же экономят время и деньги, сокращая их в разы и даже на порядки.

Цифровой двойник – это информационная модель продукта, программный аналог физического объекта, позволяющий моделировать реальные процессы, протекающие в нем.

«Фабрика» цифровых двойников

Всего в подпроекте 8 направлений. «Если воспользоваться популярным у программистов термином  factory – подпроект даже можно назвать «фабрикой» цифровых двойников, – говорит руководитель подпроекта д.ф-м.н., директор Центра суперкомпьютерного моделирования  НИЯУ МИФИ Владимир Шаргатов. – Кстати, красивое и изящное словосочетание «математическое моделирование» придумал наш выдающийся ученый, академик Александр Андреевич Самарский в конце 40-х годов прошлого века. В те годы, конечно, еще не было суперкомпьютеров, но ведь моделирование не обязательно делается с их помощью. Если вы хотите исследовать особенности какого-то процесса, то сначала пишете математическую модель, включающую в себя уравнение, и решаете его – получается математическое моделирование. А сейчас нам доступны и высокопроизводительные вычислительные системы, и средства визуализации подобных расчетов, в которых задействована анимация».

Существует множество изделий, которые гораздо дешевле сначала смоделировать на компьютере, посмотреть, как они будут работать, и лишь затем воплощать в «железе». Скажем, разработка новых автомобильных двигателей в крупнейших мировых концернах раньше занимала от 5 до 8 лет, сегодня же с помощью компьютерного моделирования этот процесс укладывается в два-три года, так как все расчеты теперь можно проверить в «виртуале». «Допустим, вы создаете сотню конструкций и проверяете, как они работают на компьютере: создаете виртуальную реальность, заложив в нее те законы физики, которые должны там действовать, –  продолжает Владимир Шаргатов. – Если то, что у вас получается, совпадает с реальным экспериментом – это «цифровой двойник», если нет – это просто 3D анимация, внешне похожая на мультипликацию».

Исследуя газовые центрифуги

Одно из направлений подпроекта – создание цифровых двойников газовых центрифуг, в которых происходит разделение изотопов урана. «Задача исследования процессов в газовых центрифугах, то есть выявление зависимости эффективности разделения от параметров центрифуг – ключевая для промышленного производства обогащенного урана и других изотопов, – говорит и.о. заведующего кафедрой молекулярной физики, к.ф.-м.н. Иван Тронин. – Одним из основоположников газоцентрифужной технологии разделения изотопов был первый заведующий нашей кафедрой, академик Михаил Дмитриевич Миллионщиков, первые газовые центрифуги для обогащения урана были разработаны с его участием, и мы сегодня продолжаем это направление, но уже имея в руках инструменты, которые дают возможность посмотреть на физику процесса изнутри». 

Разработка цифрового двойника газовой центрифуги позволит не только создать новые поколения центрифуг, но и решить чисто научные задачи – ведь до сих пор остается непонятным, как размеры и габариты этого прибора влияют на его эффективность, почему разделение изотопов в нем происходит по тем законам, которые были эмпирически установлены его первыми конструкторами. Понимание физики процесса разделения в свою очередь приведет к росту эффективности каскадов газовых центрифуг, сократит потери при разделении.

Создание цифровых двойников подобных систем ускоряет процессы их проектирования в разы и позволяет снизить финансовые затраты на порядки, условно говоря, с миллиардов на миллионы. На смену «гонке вооружений» сегодня пришла «гонка технологий»: газовые центрифуги разрабатываются (и совершенствуются уже имеющиеся) в Бразилии, Китае, США, в Европе (концерн URENCO – Германия, Великобритания, Нидерланды), но научные данные о результатах таких разработок, естественно, не публикуются, каждая страна охраняет свои секреты. Изотопы урана, бора, молибдена нужны в разных областях, например, в медицине. Поэтому создание собственной технологии разработки газовых центрифуг – один из важнейших вопросов в сохранении мирового лидерства отечественной атомной промышленности.

Как работает плазма в двигателе?

Востребованность цифровых двойников подтверждается и тем, что математическое моделирование задействуется и в других подпроектах программы Приоритет-2030, так например, разработка цифровых двойников ведётся и в подпроекте «Плазменные двигатели в космических исследованиях».

Цель этого направления – создание целой площадки для разработки прототипов плазменных двигателей различной степени тяги и параметров испускаемого плазменного вещества, а следовательно, и различных задач, которые эти двигатели будут выполнять – это могут быть как двигатели для малых искусственных спутников Земли, так и более габаритные двигательные установки для больших космических аппаратов.

«Одна из подзадач разработки таких устройств – проведение вычислительных экспериментов, то есть создание цифровых двойников двигателей, – объясняет заместитель директора Центра суперкомпьютерного моделирования НИЯУ МИФИ, к.ф.-м.н. Евгений Степин. – Процессы, которые происходят в двигателях многомасштабны и мультифизичны. Здесь задействованы различные физические эффекты и явления – переход вещества в состояние плазмы, обратная рекомбинация, ускорение плазмы в электрических и магнитных полях и за счет накопленной тепловой энергии, взаимодействие потока с конструкционными элементами двигателя и др. Весь этот спектр явлений необходимо определить и учесть – мы делаем это в формате физико-математической модели, которая будет правдоподобно отражать основные закономерности. Затем с помощью методов численного моделирования с использованием высокопроизводительных вычислительных систем (суперкомпьютеров) будет создан программный код, результатом реализации которого и станет цифровой двойник двигателя. Другими словами, мы увидим какие-то предсказательные визуализированные выводы о том, как и какие процессы будут развиваться в этих двигателях».

Цифровой двойник, подчеркивает ученый, в любом случае строится на основании каких-то приближений и допущений относительно того, как в тех или иных условиях ведут себя физические процессы и техника, он может заменять и/или дополнять натурные эксперименты. Как известно, наноспутники с плазменным двигателем VERA, созданным в НИЯУ МИФИ, уже летают на орбите, в скором времени состоится запуск спутника Института ЛаПлаз «Святобор-1», а сейчас проходят испытания новой версии двигателя – однако пока остаются вопросы относительно принципов и закономерностей его работы. Разработчики могут провести его испытания в космосе, но натурный эксперимент дает понимание, ограниченное диагностическими возможностями и методами измерения, а физико-математическое моделирование позволяет проникнуть вглубь процесса и иметь возможность оценивать явления по гораздо большему спектру физических параметров, и главное – по тому, что происходит внутри двигателя – то есть дает возможность «влезть» в устройство, не «влезая» в него в реальности.

Подобные работы ведутся в НИЯУ МИФИ и по разработке более мощных и эффективных двигателей для более габаритных космических аппаратов, например,  магнитоплазменного двигателя. Основными площадками реализации этой задачи выступает кафедра физики плазмы (ЛаПлаз) и Центр инженерно-физических расчётов и суперкомпьютерного моделирования.

Сопрягая усилия и направления мысли

Объединить разные научные направления и работу Центра суперкомпьютерного моделирования и других подразделений и кафедр Института ЛаПлаз и НИЯУ МИФИ стало возможно в рамках программы «Приоритет 2030». «Раньше мы были обособленными научными группами и занимались каждый своей задачей – конечно, мы все взаимодействовали на уровне обмена мнениями, идеями, результатами. А «Приоритет 2030» позволил объединить наши усилия структурно и в согласованном векторе, мы как бы высыпали весь паззл наших достижений на стол и теперь системно собираем его, решая интересные и востребованное технологические задачи. Вообще цифровые двойники – это очень мощный, понятный, содержательный, самосогласованный инструмент исследования явлений процесса и самой технологии», – заключает Евгений Степин.

Основными исполнителями подпроекта «Математическое моделирование физических процессов в экстремальных условиях» являются кафедры молекулярной физики (ИНТЭЛ), химической физики (ЛаПлаз), прикладной математики (ЛаПлаз) и Центр инженерно-физических расчетов и суперкомпьютерного моделирования НИЯУ МИФИ.

Партнерами подпроекта выступают Математический институт им. В.А. Стеклова РАН, РФЯЦ Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, Национальный центр физики и математики (г. Саров), АО ТВЭЛ, Объединенный институт высоких температур РАН, Российский научный фонд,  АО «Центротех инжиниринг». Одной из важнейших его производных станет создание студенческой научно-исследовательской лаборатории высокопроизводительных вычислений.