Программно-аппаратный комплекс для компьютерного моделирования процессов массопереноса многофазных потоков в зернистых средах

Назначение
Трёхмерное компьютерное моделирование процессов массопереноса газо- и парожидкостных потоков в зернистых средах на основе высокопроизводительной вычислительной системы на базе графического процессора.

Область применения
Обеспечения инженерных расчетов аппаратов с зернистыми средами, в частности, микрокаталитических реакторов и реакторов с шаровыми твэлами, применение в составе программного обеспечения тренажёров для обучения персонала электростанций применительно к аварийным ситуациям, связанных с проблемой «разгерметизации».

Краткое описание
Программное обеспечение основано на методе решёточных уравнений Больцмана, позволяющего реализовать эффективные параллельные алгоритмы для моделирования многофазных потоков в зернистых средах. Программное обеспечение исполняется на высокопроизводительной вычислительной системе на базе графического процессора.
Расчётная модель основана на методе решёточных уравнений Больцмана, который широко применяется при моделировании задач гидродинамики. Метод основан на представлении жидкости как совокупности псевдочастиц, каждая из которых имеет определённое распределение скоростей в трёхмерном пространстве. В процессе моделирования производится расчёт движения и столкновения частиц. Для расчёта столкновений применяется оператор Бхатнагара-Гросса-Крука. В данной работе использовалась дискретная модель скоростей D3Q19, имеющая 19 векторов скорости в 3 пространственных измерениях. Взаимодействие газообразной и жидкой фазы учитывается с помощью метода сил притяжения Шана — Чена, исключающего разрыв на границе фаз.

Основные характеристики и преимущества
Аппаратная часть вычислительной системы основана на графическом процессоре общего назначения nVidia Tesla C2075, который имеет 448 ядер. Пиковая производительность графического процессора составляет 1,03 ТФлоп. Вычислительная система также имеет центральный процессор Intel Xeon E5-1620 и 32 Гб оперативной памяти. Алгоритм реализован на языке CUDA C.
Геометрия расчётной области задаётся трёхмерным массивом, определяющим плотность вещества в каждом узле расчётной сетки. Узлам, соответствующим твёрдой фазе, присваивается нулевое значение. Метод решёточных уравнений Больцмана позволяет единообразно описывать жидкую и газообразную фазы, поэтому разделение на жидкость и газ осуществляется заданием соответствующих плотностей для газа и жидкости.

Например, в случае движения крупных пузырей в наклонных трубах с зернистым слоем, расчётная область представляет собой цилиндр, имеющий свободное пространство в начале для стабилизации скорости газового снаряда и в конце для приёма снаряда после прохождения через зернистый слой (Рис. 1). В качестве входных параметров задаётся угол наклона трубы, диаметр зерна засыпки, а также внешняя сила.

Газовый снаряд задаётся как область в форме прямоугольного параллелепипеда, имеющая плотность газообразной фазы. В течении нескольких десятков итераций после начала процесса моделирования исходная область с газом преобразуется в форму вытянутой газовой пробки (снаряда), также наблюдаемого в эксперименте с иммерсионной жидкостью (Рис. 2).

Твёрдая фаза формируется с помощью подпрограммы, которая проводит укладку шаров в цилиндре. Работа подпрограммы заключается в том, чтобы обозначить определённые узлы сетки, как узлы, содержащие твёрдую фазу. В результате получившаяся совокупность узлов с твёрдой фазой формирует геометрию, соответствующую шаровой засыпке. В качестве входных данных подпрограмма принимает диаметр зерна засыпки и тип укладки.

Рис. 1 Расчётная область трубы с зернистым слоем

Эксперимент                                                         Расчёт
Рис. 2 Свободное всплывание газового пузыря в трубе с зернистым слоем

Массив данных, хранящий информацию о плотности вещества, модифицируется в процессе моделирования движения газового снаряда. Также формируется массив с данными о распределении скоростей в каждом узле. Промежуточные результаты сохраняются на жёсткий диск в формате VTK.

Метод Больцмана, на котором основан программный комплекс, позволяет единообразно описывать жидкую и газообразную фазы, что позволяет упростить алгоритм и сократить время вычислений. Благодаря тому, что метод решёточных уравнений Больцмана предполагает проведение вычислений в локальных узлах расчётной области, программное обеспечение позволяет добиться эффективного распараллеливания процесса моделирования.

Правовая защита
Впервые опубликованы результаты с использованием данного программно-аппаратного комплекса:
Храмцов Д.П., Некрасов Д.А., Покусаев Б.Г., Кондрашов Н.П. Моделирование динамики всплытия газовых снарядов в наклонной трубе с зернистым слоем // Современная наука. — 2013. —№ 1(12), С. 214-219

Форма сотрудничества
На договорной основе – разработка математическое модели, математическое моделирование с помощью высокопроизводительной вычислительной системы на базе графического процессора

Разработчики
Кафедра «Термодинамика, теплотехника и энергосбережение»: Храмцов Д.П., к.т.н. Некрасов Д.А., чл-корр. РАН, д.т.н. Покусаев Б.Г.