1 / 63

Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

Суперкомпьютерные технологии в науке, образовании и промышленности. Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ. И.В. Семенов 1,3 , И.Ф. Ахмедьянов 1 , И.С . Меньшов 2 , А.Д. Подложнюк 1,3 , П.С. Уткин 1,3 1 Институт автоматизации проектирования РАН

maya-mcfarland
Télécharger la présentation

Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Суперкомпьютерные технологии в науке, образовании и промышленности Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ И.В. Семенов1,3, И.Ф. Ахмедьянов1,И.С. Меньшов2, А.Д. Подложнюк1,3,П.С. Уткин1,31Институт автоматизации проектирования РАН 2Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН 3МФТИ (ГУ) 18 февраля 2014, МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва

  2. Моделирование инициирования и распространения газовой детонации в профилированных каналах и трубах И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  3. Трехмерные исследования детонационных процессов • Трудности при трехмерном исследовании нестационарных переходных режимов и эффектов, связанных с геометрией трубы: • вычислительная сложность и затраты по памяти; • генерация неструктурированных сеток для областей со сложной геометрией; • сложности построения схем высокого порядка на неструктурированных сетках; • эффективная параллелизация вычислительного алгоритма. Трехмерный расчет распространения детонационной волны в трубе с изгибом Трехмерный расчет перехода горения в детонацию на сетке с числом ячеек ~ 270 млн. Poludenko A.Y., Gardiner T.A., Oran E.S. Deflagration-to-Detonation Transition in Unconfined Media // Proc. 23rd ICDERS. July 24 – 29, 2011. Irvine, USA. Tsuboi N. et al. Three-dimensional Simulations of H2/O2 Detonation in a Round Bent Tube // Proc. 8th ISHPMIE. September 5 – 11, 2010. Yokohama, Japan. И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  4. Мотивация исследования Способы инициирования детонации Переход ударной волны в детонационную Переход горения в детонацию Прямое инициирование Инициирование детонации «бегущим импульсом принудительного зажигания» (Фролов С.М. и др., 2004 – 2006) Использование специальной профилировки стенок трубы И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  5. Математическая модельтрехмерных течений с волнами детонации Одностадийная модель кинетики химических реакций (С.М. Фролов и др., ИХФ РАН, 2005) И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  6. Вычислительный алгоритм • Метод расщепления по физическим процессам • Метод конечных объемов • Явная схема предиктор – корректор (2-ой порядок) • Расчет градиентов методом наименьших квадратов • MUSCL-восполнение сеточных функций с использованием несимметричной противопоточной схемы 3-го порядка и ограничителя Ван Альбада • Схема С.К. Годунова расчета потоков • Формулы дифференцирования назад (метод Гира) для решения системы ОДУ для моделирования химических реакций • Неструктурированные расчетные сетки в формате CGNS, METIS, MPI, до 4000 процессорных ядер СК «Ломоносов» Пред. 1 этап (газодинамический) Корр. 2 этап (учет химических реакций) И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  7. Инициирование детонации в канале с профилем Число Маха инициирующей ударной волны 3.0 При прочих равных условиях параболический профиль стенок обеспечивает инициирование детонации, а прямоугольные выступы – нет Фролов, С.М., Семенов, И.В., Комиссаров, П.В., Уткин, П.С., Марков, В.В. Сокращение длины и времени перехода горения в детонацию в трубе с профилированными регулярными препятствиями // Доклады Академии наук. – 2007. – Т. 415, № 4. – С. 509 – 513. И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  8. Инициирование детонации в трубе BR = 1 – (d/D)2 Стадии механизма инициирования: (1) двойное Маховское отражение, (2) формирование локальных взрывов, (3) реинициирование детонации. Семенов, И.В., Уткин, П.С., Марков, В.В. Численное моделирование инициирования детонации в профилированной трубе // Физика горения и взрыва. – 2009. – Т. 45, № 6. – С. 73 – 81. И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  9. Осесимметричная труба с параболическим сужением и расширением: обобщение результатов Блокировка трубы 0.75 есть детонация нет детонации Блокировка трубы 0.44 есть детонация нет детонации Блокировка трубы 0.94 есть детонация нет детонации И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  10. Труба с параболическим сужением и коническим расширением. Постановка задачи. Расчетная О-сетка с числом ячеек ~ 20 млн., пространственное разрешение ~ 0.3 мм Числа Маха инициирующей ударной волны: 2.65, 2.7, 2.8, 3.0 И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  11. Механизм инициирования детонации, M = 2.8 (D ~ 938 м/c) (1) Двойное Маховскоеотражение в 60 мкс Изоповерхность давления 16 атм Второй локальный взрыв в 80 мкс Изоповерхности давления 1.1 атмиплотности пропана 0.14 кг/м3 И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  12. Механизм инициирования детонации, M = 2.8 (D ~ 938 м/c) (2) Структура фронта детонационной волны в выходном сечении трубы в135мкс «Численные следовые отпечатки» в выходном сечении трубы, поле максимума давления в МПа Волны детонации и ретонации в 95 мкс Изоповерхность плотности пропана 0.05 кг/м3 с нанесенным полем давления И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  13. Механизм инициирования детонации, M = 2.8 (D ~ 938 м/c) (3) Динамика изоповерхности пропана 0.05 кг/м3 с нанесенным полем температуры И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  14. Механизм инициирования детонации, M = 2.8 (D ~ 938 м/c) (4) Изоповерхности плотности пропана 0.05 кг/м3 с полем температуры в последовательные моменты времени. И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  15. Винтовая труба. Постановка задачи. втекание истечение D = 28 мм S1 – входная секция, S2 – винтовая секция, S3 – выходная секция Расчетная сетка с числом ячеек ~ 5 млн., пространственное разрешение ~ 0.3 мм Исследованные числа Маха инициирующей ударной волны (M): 3.0, 3.2, 3.4 Фролов С.М., Аксенов В.С., ДАН, 2007 И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  16. Классификация режимов горения в винтовой трубе M = 3.2– инициирование детонации, спиновый режим распространения детонационной волны M = 3.4 – инициирование детонации, детонационная волна занимает все сечение трубы M = 3.0– отсутствие инициирования детонации 60 мкс 70 мкс 70 мкс 145 мкс 140 мкс 90 мкс Распределения концентрации пропана в перпендикулярных оси Х сечениях. Синий цвет – начальная концентрация пропана в смеси, красный – близкая к нулю концентрация, соответствующая интенсивному горению в детонационном режиме. И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  17. Распространение спиновой детонации (M = 3.2) Синяя изоповерхность температуры – фронт лидирующей ударной волны, зеленая изоповерхность давления – «голова» спина, на поверхности трубы нанесено распределение максимального давления 210 мкс 212,5мкс Явление спиновой детонации – наиболее яркое свечение фронта у стенки в «голове» спина. Траектория «головы» относительно трубы – спираль, наклоненная обычно под углом ~ 45° к образующей (в расчете ~ 50°). 215 мкс И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  18. Моделирование детонации слоя реагирующей пыли в трубе И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  19. Мотивация исследования Пылевые взрывыв промышленности Причина взрыва – полиэтиленовая пыль на подвесных потолках. Толщина слоя полиэтиленовой пыли составляла от 3до6мм. WEST PHARMACEUTICAL SERVICES, INC.KINSTONNorth Carolina, January 29, 2003 From U.S. Chemical Safety and Hazard Investigation Board(CSB). (6 погибших, 38 пострадавших) И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  20. Мотивация исследования Numerous theoretical and experimental studies are devoted to the problem of dust-layered detonation (Klemens et al., 1990; Li et al., 1995; Korobeinikov et al., 2002;…) but • the mechanism of initiation and self-sustained propagation of dust-layered detonation hasn’t been studied yet; • because of a lot of correlated subsequent processes such as dust-air mixture motion, dust lifting behind propagating SW, intensive mixing and heating of dust particles in the ambient air, devolatilization, ignition and combustion of carbon skeleton and volatiles; • and also computational costs – the problem required large ratio of tube length to the diameter (up to 100), so The aim of the current work is the detailed large-scale modelling of layered detonation of coal dust to investigate and explain the mechanism of formation of self-sustained dust-layered detonation. И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  21. Математическая модель 1 The mathematical statement of the problem was based on 2D equations of two-phase, viscous, reactive, compressible flow within a coupled two-velocity and two-temperature formulation (Nigmatulin, 1987): И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  22. Математическая модель 2. Кинетика. CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + Qv(гомогенное) Qv = 47.9 МДж/кг C + O2 = CO2 + Qs(гетерогенное) Qs = 30 МДж/кг (Коробейников и др., 2002) И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  23. Численный метод • Method of splitting with respect to physical processes • Space discretization: finite-volume method, time integration: explicit scheme with the first-order approximation • Godunov’s method for gaseous phase fluxes calculation • Piecewise-linear reconstruction of grid functions in computational cells with the use of minmod limiter • Central difference scheme for viscous fluxes calculation • Backward differentiation formulas for the solution of chemical kinetics system of ODE • Structured mesh (5 000 000 cells) • Parallel calculations with the use of 200 cores on supercomputers,domain decomposition method,MPI library И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  24. Подъём пыли из слоя • Shock wave velocity before entering the observation section is about 500 m/s • Two coal dusts are investigated: coal A (d0 = 18 µm) and coal C (d0 = 100 µm) • Formulation is similar to that in: • Klemens R. et al. Dynamics of Dust Dispersion from the Layer behind the Propagating Shock Wave. J. Loss Preven. 2006; 19: 200–09. • Zydak P., Klemens R. Experimental Investigation into Coal Dust Lifting Process behind Shock Wave for Different Dust Layer Thickness. Proc. 7th ISHPMIE 2008; 1: 23–43. И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  25. Динамика подъема пыли из слоя Animation of predicted fields of carbon density. Coal C, K = 4. The Magnus force provides the dust lifting from the layer at the initial stages of the process with sufficient reliability but doesn’t work in the channel far from the bottom wall so the final height of dust lifting in calculations without other mechanisms of lifting is less than that in experiments. И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  26. Постановка задачи 10 - • Initial blast wave in detonation chamber – self-similar Taylor solution about Chapman-Jouguet detonation of stoichiometric hydrogen-air mixture • Coal particles properties • “Brown coal” (%wt.) – Methane 54.5, Carbon 39.1, Ash 3.7, Water 2.7 • d0 = 60 µm, ρsolid = 1300 kg/m3, ρload = 8 kg/m3 • (from Wolinski M., Wolanski P. Shock Wave-Induced Combustion of Dust Layer. Grain Dust Explosion and Control. Final Report. Warsaw, 1993) И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  27. Слоистая детонация. Начальная стадия1 мс(1). Температура газа (K) Зона задержки Плотность угольной пыли(кг/м3) Подъем пыли И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  28. Слоистая детонация. Начальная стадия 1 мс(2). Температура частиц (K) Прогрев частиц Массовая доля CO2 Горение частиц И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  29. Слоистая детонация. Температура газа(1). Time 2 ms 4 ms 6 ms 8 ms И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  30. Слоистая детонация. Температура газа(2). Time 10 ms 12 ms 14 ms 16 ms И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  31. Слоистая детонация. Плотность пыли(1). Time 2 ms 4 ms 6 ms 8 ms И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  32. Слоистая детонация. Плотность пыли(2). Time 10 ms 12 ms 14 ms 16 ms И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  33. Изменение скорости лидирующей УВ Переход к детонационному режиму Самоподдерживающийся режим Режим слоистой детонации И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  34. Периодический режим Модуль градиента плотности Температура газа И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  35. Динамика давления OBLIQUE SHOCK WAVES! Reaction zone starts Reaction zone starts Experiment: Pressure history for detonation brown coal dust layer with oxygen in square channel (35 mm x 35 mm) Wolinski M. & Wolanski P., 1993 И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  36. Моделирование процессов внутренней и промежуточной баллистики И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  37. Мотивация работы • Разработка современных образцов артиллерийского вооружения: • Требования к скорострельности и дальности стрельбы. • Модульные метательные заряды. Возможность развития волнового процесса при горении. • Высокие механические и тепловые нагрузки. • Безопасность заряжания при стрельбе с различным темпоми живучесть ствола. • Орудия с гильзовым и безгильзовым заряжанием. Многослойная структура ствола. • Естественное и принудительное охлаждение ствола. • Большие затраты на экспериментальные исследования. И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  38. Зарубежные внутрибаллистические коды ARL-NGEN3 (США): M.J. Nusca AMI2D (Германия – Франция) FHIBS (Великобритания) XKTC (США) MOBIDIC-NG (Франция) CTA1 (Великобритания) Код ун-та Кейо (Япония): H. Miura, A. Matsuo И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  39. Математическая модель • Многокомпонентнаяодноскоростная модель для газовой фазы. Уравнение состояния типа Дюпре с коволюмом. • Многокомпонентная односкоростная модель для дисперсной фазы. Учет межгранулярного давления. • Межфазное взаимодействие: • Газоприход – геометрический закон горения пороховых элементов с поправками на температуру поверхности пороха и эрозионное горение. • Сила трения для трубчатых и зерненых порохов в зависимости от локальной пористости. • Введение в рассмотрение воспламенительного периода за счет расчета прогрева порохового элемента в результате нестационарного теплообмена между газовой и дисперсной фазами (численное решение уравнения теплопроводности или полуаналитическая модель). • Расчет теплового состояния ствола. Различные подходы к расчету теплообмена между пороховыми газами и стволом. (ЗахаренковВ.Ф. Полуэмпирический метод расчета теплообмена в гладких и шероховатых трубах при течении горячих пороховых газов // Труды Международной научно-практической конференции «Третьи Окуневские чтения», Санкт-Петербург, 24 – 29 июня 2002 г. – Т. II. – Санкт-Петербург: Изд-во Балт. госуд. техн. унив., 2003. – С. 176 – 185.) Зависимость коэффициентов вязкости и теплопроводности от температуры. И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  40. Математическая модель внутрибаллистического процесса Газовая фаза Для исследования внутрибаллистических процессов используется математическая модель движения многофазной, многокомпонентной, двухскоростной газопороховой среды с учетом горения пороха, силового межфазного взаимодействия, диссипативных процессов в газовой фазе, а также модели прогрева и воспламенения порохового элемента. Описание моделей межфазного взаимодействия содержится в: Семенов, И.В., Уткин, П.С., Ахмедьянов, И.Ф., Меньшов, И.С. Применение многопроцессорной вычислительной техники для решения задач внутренней баллистики // Вычислительные методы и программирование. – 2011. – Т. 12. – С. 183 – 193. И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  41. Математическая модель внутрибаллистического процесса Дисперсная фаза И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  42. Численный метод • Расщепление по физическим процессам • Метод конечных объемов, гибридная явно-неявная схема интегрирования по времени (2-ой порядок по пространству и времени) • Потоки в газовой фазе: метод Годунова, метод Роу для расчета потоков на разрыве пористости, модифицированный метод Годунова • Потоки в дисперсной фазе: метод Годунова, метод Русанова • Метод центральных разностей для расчета диссипативных потоков • Семейство методов Гира для решения уравнений, описывающих межфазное взаимодействие • Многосекционные расчетные сетки • Метод свободной границы для описания движения снаряда по расчетной сетке • Распараллеливание расчетного алгоритма методом декомпозиции области (библиотека MPI) И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  43. Метод свободной границы И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  44. Расчет выстрела из модельной пушки AGARD. Постановка задачи. Путь снаряда 431.8 см Коды для сравнения И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  45. Верификация ПК БАРС-1МП – тест AGARD Сравнение интегральных характеристик Рассчитанные профили давления на затворе pкам – максимальное давление на дно каморы pсн – максимальное давление на дно снаряда vд – дульная скорость БАРС-1МП Mobidic-NG 1D (Франция) CTA1 (Англия) XKTC (США) tвыс – время выстрела Woodley C. et al. Comparisons of Internal Ballistics Simulations of the AGARD Gun // Proc. 22nd Int. Symp. on Ballistics. Vancouver, Canada, 2005. – P. 338 – 346. И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  46. Распараллеливание расчетного алгоритма 1D 1D 1D Вычислительные затраты Статический вариант декомпозиции расчетной области • 1D: сетка ~ 1000 ячеек, 32 ядра, ~ 10 минут • 2D: сетка ~ 1 млн. ячеек, 512 ядер, около суток Простая схема адаптивного алгоритма распараллеливания Ускорение Разбиение METIS на10 частей Оптимизированная схема адаптивного алгоритма распараллеливания 2D Число процессорных ядер И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  47. Проблема формирования волновых процессов в каморе Кривые давления на затворе в случае различного положения заряда Схематичная постановка задачи Jang J.-S. et al. Numerical study on properties of interior ballistics according to solid propellant position in chamber // Proc. 26nd Int. Symp. on Ballistics. Miami, USA, 2011. – P. 721 – 730. И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  48. Постановка задачи. Модуль у затвора. Датчик давления 1 (16 мм от затвора) Датчик давления 2 (926 мм от затвора) И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  49. Модуль у затвора Датчик 1 Датчик 2 И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

  50. Постановка задачи И.В. Семенов и др.Моделирование реагирующих течений на многопроцессорных ЭВМ

More Related