RU2756881C1 - Method for computational modeling of combustion gas dynamics processes occurring in material medium that allows chemical transformations - Google Patents
Method for computational modeling of combustion gas dynamics processes occurring in material medium that allows chemical transformations Download PDFInfo
- Publication number
- RU2756881C1 RU2756881C1 RU2020134379A RU2020134379A RU2756881C1 RU 2756881 C1 RU2756881 C1 RU 2756881C1 RU 2020134379 A RU2020134379 A RU 2020134379A RU 2020134379 A RU2020134379 A RU 2020134379A RU 2756881 C1 RU2756881 C1 RU 2756881C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- processes
- specified
- chemical
- dynamic
- time
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN A CARRIER GAS OR AIR
- F23C99/00—Subject-matter not provided for in other groups of this subclass
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06G—ANALOGUE COMPUTERS
- G06G7/00—Devices in which the computing operation is performed by varying electric or magnetic quantities
- G06G7/48—Analogue computers for specific processes, systems or devices, e.g. simulators
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области информационных технологий, предназначенных для специализированной обработки данных, в частности к способу вычислительного моделирования процессов газодинамики горения, протекающих в некой пространственной материальной среде, в которой возможно протекание химических трансформацийThe invention relates to the field of information technology intended for specialized data processing, in particular to a method for computational modeling of combustion gas dynamics processes occurring in a certain spatial material environment in which chemical transformations are possible
Процессы горения широко используются в технических и бытовых устройствах, а также распространены в природе, и, подчас, представляют большую опасность. Поэтому актуальнейшей задачей является предсказательное моделирование этих процессов в природных и технических системах, и на его основе управление процессами горения. Горение в природных условиях может проявляться в форме катастроф (лесные пожары, горящие торфяники). Среди многомасштабных явлений необходимо выделить комплексные проблемы предсказательного вычислительного моделирования горения топлив в существующих и проектируемых технических и природных системах, выгоды от решения которых, и от внедрения разработанных новых технологий во много раз превысят расходы на создание предсказательного вычислительного моделирования горения топлив.Combustion processes are widely used in technical and household devices, and are also common in nature, and sometimes pose a great danger. Therefore, the most urgent task is predictive modeling of these processes in natural and technical systems, and on its basis the control of combustion processes. Combustion in natural conditions can manifest itself in the form of catastrophes (forest fires, burning peat bogs). Among the multiscale phenomena, it is necessary to single out the complex problems of predictive computational modeling of fuel combustion in existing and projected technical and natural systems, the benefits from the solution of which, and from the introduction of the developed new technologies, will many times exceed the costs of creating predictive computational modeling of fuel combustion.
На сегодняшний день известны различные попытки построения оптимальной вычислительной системы для повышения скорости обработки данных протекания физико-химических процессов при моделировании газодинамики горения. Данные работы основываются на обеспечении параллельной обработки физических и химических процессов на различных типах процессоров, с поиском оптимальной оптимизации вычислительных потоков для улучшения стабильности и скорости обработки.To date, various attempts are known to build an optimal computing system to increase the processing speed of data on the course of physicochemical processes in the simulation of combustion gas dynamics. These works are based on providing parallel processing of physical and chemical processes on various types of processors, with the search for optimal optimization of computational flows to improve stability and processing speed.
Известен, также, способ сопроцессорного вычисления гидродинамики жидких сред (заявка US 2007219766, 20.09.2007), который основывается на моделировании процессов с использованием гибридной системы параллельного вычисления, содержащей процессоры общего назначения и сопроцессоры.There is also known a method for coprocessor computation of fluid dynamics (US 2007219766, 20.09.2007), which is based on modeling processes using a hybrid parallel computing system containing general-purpose processors and coprocessors.
Недостатками существующих решений является низкая точность вычислительного предсказательного моделирования протекания реальных процессов газодинамики горения, в особенности многомасштабных процессов с учетом кинетических газодинамических имежфазных процессов, а также долгое время осуществления самого процесса вычисления на гибридных вычислительных системах.The disadvantages of existing solutions are the low accuracy of computational predictive modeling of the course of real combustion gas dynamics processes, especially multiscale processes taking into account kinetic gas-dynamic and interphase processes, as well as a long time of the computation process itself on hybrid computing systems.
Известен способ вычислительного моделирования процессов газодинамики горения, протекающих в пространственной материальной среде, в которой возможно протекание химических трансформаций, включающий последовательно осуществляемые следующие действия:There is a method of computational modeling of combustion gas dynamics processes occurring in a spatial material environment in which chemical transformations are possible, which includes the following steps in sequence:
- определяют в исходной указанной материальной среде, в которой возможно протекание химических трансформаций, исходные данные, описывающие взаимосвязанные физико-химические и динамические процессы;- determine in the initial specified material environment, in which chemical transformations are possible, the initial data describing the interrelated physicochemical and dynamic processes;
- осуществляют декомпозицию указанной материальной среды на геометрические области, каждая из которых соответствует своему набору исходных данных указанных физико-химических и динамических процессов;- carry out the decomposition of the specified material environment into geometric areas, each of which corresponds to its own set of initial data of the specified physical, chemical and dynamic processes;
- осуществляют для каждой указанной геометрической области декомпозицию указанных физико-химических и динамических процессов на газодинамические, термодиффузионные и химические процессы;- for each specified geometric region, the said physicochemical and dynamic processes are decomposed into gas-dynamic, thermal diffusion and chemical processes;
- осуществляют последующую обработку меняющихся во времени указанных данных в каждой геометрической области с помощью гибридной кластерной системы параллельных вычислений, каждый узел которой включает совокупность вычислительных устройств, таких как: процессор общего назначения и, по меньшей мере, один сопроцессор, при этом для проведения расчетов задействуют только сопроцессор (см. Л.И. Стамов, Е.В. Михальченко. Моделирование процессов горения и детонации на гибридных вычислительных системах, М., МГУ, 2014, с. 174-177).- carrying out the subsequent processing of the time-varying specified data in each geometric area using a hybrid cluster parallel computing system, each node of which includes a set of computing devices, such as: a general-purpose processor and at least one coprocessor, while the calculations involve only a coprocessor (see LI Stamov, EV Mikhalchenko. Modeling of combustion and detonation processes on hybrid computing systems, Moscow, Moscow State University, 2014, pp. 174-177).
Недостатком известного способа вычислительного моделирования процессов газодинамики горения является недостаточно быстрое проведение расчетов из-за того, что для проведения расчетов используется только сопроцессор, а не все ресурсы, а также то, что для расчетов используется графический сопроцессор, не ориентированный на решение жестких систем уравнений, к которым относятся химические уравнения.The disadvantage of the known method of computational modeling of combustion gas dynamics is insufficiently fast calculations due to the fact that only a coprocessor is used for calculations, and not all resources, as well as the fact that a graphic coprocessor is used for calculations, which is not focused on solving rigid systems of equations. which include chemical equations.
Задачей настоящего изобретения является создание способа, позволяющего организовать новую архитектуру и систему обменов вычислительными процессами, ориентированными на решение конкретных задач горения, что позволит проводить сбалансированное моделирование многомасштабных процессов с учетом кинетических, газодинамических, термодиффузионных и межфазных процессов с одинаковой высокой точностью.The objective of the present invention is to create a method that allows you to organize a new architecture and a system of exchanges of computational processes focused on solving specific combustion problems, which will allow for balanced modeling of multiscale processes taking into account kinetic, gas-dynamic, thermal diffusion and interphase processes with the same high accuracy.
Техническим результатом является повышение точности расчетов и сокращение времени их проведения при построении реальной цифровой модели, что позволит сократить время на разработку цифрового двойника, позволяющего прогнозировать протекание процессов газодинамики горения в пространственной материальной среде, в которой возможно протекание химических трансформаций.The technical result is an increase in the accuracy of calculations and a reduction in the time of their implementation when constructing a real digital model, which will reduce the time for developing a digital twin, which makes it possible to predict the course of combustion gas dynamics processes in a spatial material environment in which chemical transformations are possible.
Указанный технический результат достигается способом вычислительного моделирования процессов газодинамики горения, протекающих в некой пространственной материальной среде, в которой возможно протекание химических трансформаций, включающий последовательно осуществляемые следующие действия:The specified technical result is achieved by the method of computational modeling of combustion gas dynamics processes occurring in a certain spatial material environment, in which chemical transformations are possible, including the following steps taken sequentially:
- определяют в исходной указанной материальной среде, допускающей химические трансформации, исходные данные, описывающие взаимосвязанные физико-химические и динамические процессы;- determine in the original specified material environment, allowing chemical transformations, the initial data describing the interrelated physical, chemical and dynamic processes;
- осуществляют декомпозицию указанной материальной среды на геометрические области, каждая из которых соответствует своему набору исходных данных указанных физико-химических и динамических процессов;- carry out the decomposition of the specified material environment into geometric areas, each of which corresponds to its own set of initial data of the specified physical, chemical and dynamic processes;
- осуществляют для каждой указанной геометрической области декомпозицию указанных физико-химических и динамических процессов на газодинамические, термодиффузионные и химические процессы;- for each specified geometric region, the said physicochemical and dynamic processes are decomposed into gas-dynamic, thermal diffusion and chemical processes;
- осуществляют последующую обработку меняющихся во времени указанных данных в каждой геометрической области с помощью гибридной кластерной системы параллельных вычислений, каждый узел которой включает совокупность вычислительных устройств, таких как: по меньшей мере, один процессор общего назначения и, по меньшей мере, один сопроцессор,- carrying out the subsequent processing of the time-varying specified data in each geometric region using a hybrid cluster parallel computing system, each node of which includes a plurality of computing devices, such as: at least one general-purpose processor and at least one coprocessor,
в котором в отличии от известного способа:in which, unlike the known method:
после определения исходных данных и осуществления декомпозиции указанных физико-химических и динамических процессов осуществляют фиксацию исходных данных, описывающих протекание указанных процессов во времени, и создают исходную цифровую копию указанной материальной среды, а последующую обработку меняющихся во времени указанных данных в каждой геометрической области с помощью узла указанной кластерной системы осуществляют соответственно для газодинамических и термодиффузионных процессов на, по меньшей мере, одном процессоре общего назначения, а для химических процессов - на, по меньшей мере, одном сопроцессоре, в качестве которого используют специализированный сопроцессор, ориентированный на решение жестких систем уравнений, используемых, в том числе, при решении задач горения,after determining the initial data and the implementation of the decomposition of the specified physicochemical and dynamic processes, the initial data describing the course of the specified processes in time is fixed, and an initial digital copy of the specified material environment is created, and the subsequent processing of the time-varying specified data in each geometric area using a node the specified cluster system is carried out, respectively, for gas-dynamic and thermal diffusion processes on at least one general-purpose processor, and for chemical processes - on at least one coprocessor, which is used as a specialized coprocessor focused on solving rigid systems of equations used , including when solving combustion problems,
при этом, обработку осуществляют с учетом данных с границ соседних геометрических областей и времени протекания самих процессов до заданного конечного момента времени,at the same time, the processing is carried out taking into account data from the boundaries of neighboring geometric regions and the time of the processes themselves up to a given final moment of time,
после чего осуществляют определение изменения параметров указанных газодинамических и термодиффузионных процессов во времени в каждой геометрической области с учетом протекания химических процессов и осуществляют построение новой цифровой копии, соответствующей заданному конечному моменту времени, и на основании этой цифровой копии определяют данные, описывающие взаимосвязанные физико-химические и динамические процессы, протекающие в указанной материальной среде.after that, the change in the parameters of the indicated gas-dynamic and thermodiffusion processes in time in each geometric region is determined, taking into account the course of chemical processes, and a new digital copy is constructed corresponding to a given end point in time, and on the basis of this digital copy, data is determined describing the interconnected physicochemical and dynamic processes taking place in the specified material environment.
Патентуемый способ вычислительного моделирования процессов газодинамики горения, ориентированный на решение конкретных задач горения, позволяет проводить сбалансированное моделирование многомасштабных процессов с учетом кинетических, газодинамических, термодиффузионных и межфазных процессов с одинаковой точностью и позволяет добиться ускорения проведения расчетов за счет более динамичной загрузки вычислительной системы и использования всех ресурсов, а именно, центральный процессор и специализированный сопроцессор.The patented method of computational modeling of combustion gas dynamics processes, focused on solving specific combustion problems, makes it possible to carry out balanced modeling of multiscale processes taking into account kinetic, gas-dynamic, thermal diffusion and interphase processes with the same accuracy and makes it possible to accelerate calculations due to more dynamic loading of the computing system and the use of all resources, namely, the central processor and a specialized coprocessor.
Фиг. 1 иллюстрирует пример алгоритмической компоновки гибридного вычислительного узла.FIG. 1 illustrates an example of an algorithmic layout for a hybrid computing node.
Фиг. 2 иллюстрирует пример системы дифференциальных уравнений в частных производных.FIG. 2 illustrates an example of a system of partial differential equations.
Фиг. 3 иллюстрирует пример двумерной сетки.FIG. 3 illustrates an example of a two-dimensional grid.
Фиг. 4 иллюстрирует пример распределения на сетке заданной величины.FIG. 4 illustrates an example of a distribution on a grid of a given value.
Фиг. 5 иллюстрирует пример декомпозиции области на примере сеткиFIG. 5 illustrates an example of a region decomposition using the example of a grid
Фиг. 6 иллюстрирует пример декомпозиции величины на сетке.FIG. 6 illustrates an example of decomposition of a quantity on a grid.
Фиг. 7-8 иллюстрируют направление потоков данных через границы между геометрическими областями геометрической декомпозиции.FIG. 7-8 illustrate the direction of data streams across boundaries between geometric regions of geometric decomposition.
Фиг. 9-10 иллюстрируют новое распределение рассматриваемой величины, полученное после сбора и обработок всех изменений в каждой геометрической области.FIG. 9-10 illustrate the new distribution of the considered value obtained after collecting and processing all changes in each geometric region.
Фиг. 11-12 иллюстрируют частный пример вычисления с помощью заявленного способа трехмерных полей давления при отражении ударной волны в детонирующем газе от клиновидного уступа; приведены значения параметров в двух взаимно перпендикулярных плоскостях меридионального сечения для различных последовательных моментов времени.FIG. 11-12 illustrate a particular example of the calculation using the claimed method of three-dimensional pressure fields upon reflection of a shock wave in a detonating gas from a wedge-shaped ledge; the values of the parameters are given in two mutually perpendicular planes of the meridional section for different successive moments of time.
Патентуемый способ предназначен для моделирования процессов неравновесного турбулентного горения и переходных режимов в пространственной материальной среде, в которой возможно протекание химических трансформаций и заполненной, к примеру, метастабильной смесью инертных и горючих компонентов, и основан на использовании гибридных высокопроизводительных вычислительных систем, содержащих наряду с универсальными процессорами общего назначения специализированные сопроцессоры, предназначенные для решения жестких систем уравнений, отличающихся архитектурой, ориентированной на решение конкретных задач горения.The patented method is intended for modeling the processes of nonequilibrium turbulent combustion and transient modes in a spatial material environment, in which chemical transformations and filled, for example, a metastable mixture of inert and combustible components, are possible, and is based on the use of hybrid high-performance computing systems containing, along with universal processors general-purpose specialized coprocessors designed to solve rigid systems of equations, differing in architecture, focused on solving specific combustion problems.
Суть патентуемого способа интегрирования жестких систем дифференциальных уравнений в частных производных с Источниковыми членами Аррениусовского типа заключается в проведении параллельного моделирования газодинамических и термодиффузионных процессов с использованием традиционных кластерных архитектур супервычислителей, а химических процессов с использованием специализированного сопроцессора, ориентированного на решение жестких систем уравнений.The essence of the patented method for integrating rigid systems of partial differential equations with Arrhenius-type source terms is to carry out parallel modeling of gas-dynamic and thermal diffusion processes using traditional cluster architectures of supercomputing units, and chemical processes using a specialized coprocessor focused on solving rigid systems of equations.
В начале процесса моделирования определяют начальные данные рассматриваемой системы исходных данных, которая описывает взаимосвязанные физико-химические и динамические процессы в некой материальной среде, допускающей химические трансформации. К примеру, среда может представлять собой пространственную область, заполненную метастабильной смесью инертных и горючих компонентов. В качестве исходных данных могут быть определены поля параметров среды, такие как:At the beginning of the modeling process, the initial data of the considered initial data system is determined, which describes the interrelated physical, chemical and dynamic processes in a certain material environment that allows chemical transformations. For example, the medium can be a spatial region filled with a metastable mixture of inert and combustible components. Fields of environment parameters can be defined as initial data, such as:
- плотности веществ, расположенных в материальной среде, а также их скорость и температура.- the density of substances located in the material environment, as well as their speed and temperature.
илиor
- плотности веществ, расположенных в материальной среде, а также их скорость и давление.- the density of substances located in the material environment, as well as their speed and pressure.
илиor
- молярные доли веществ, расположенных в материальной среде, а также их скорость, температура и давление.- molar fractions of substances located in the material environment, as well as their speed, temperature and pressure.
Определение исходных данных осуществляют, например, путем их замера в каждой области материальной среды.Determination of the initial data is carried out, for example, by measuring them in each area of the material environment.
Пересчет исходных данных осуществляется с помощью уравнения состояния.The recalculation of the initial data is carried out using the equation of state.
В качестве примера может быть использовано уравнение состояния смеси совершенных газов:As an example, the equation of state for a mixture of perfect gases can be used:
где 
При проведении суперкомпьютерного моделирования процессов газодинамики горения для организации параллельных вычислений производится пространственная декомпозиция рассматриваемой материальной среды, допускающей химические трансформации. Данная декомпозиция необходима для распределения исходных данных между ресурсами имеющейся вычислительной системы. В ходе данной декомпозиции исходная материальная среда разбивается на геометрические области. Вся система исходных данных, которыми могут являться заданные в пространстве поля параметров среды: плотности, давления, температуры, концентрации реагентов, теплофизических свойств и т.п., также подвергается пространственной декомпозиции в соответствии с геометрическими областями, на которые разбивается исходная материальная среда (Фиг. 3-6). Каждому разделу декомпозиции, представляющему собой геометрическую область (Фиг. 5), с соответствующим определенным набором указанных выше исходных данных, соответствует свой набор физико-химических и динамических процессов, распределенных по данной геометрической области (Фиг. 6).When carrying out supercomputer modeling of combustion gas dynamics processes, for the organization of parallel computations, a spatial decomposition of the material medium under consideration is carried out, allowing chemical transformations. This decomposition is necessary to distribute the initial data between the resources of the available computing system. In the course of this decomposition, the original material environment is divided into geometric regions. The entire system of initial data, which can be fields of medium parameters set in space: density, pressure, temperature, concentration of reagents, thermophysical properties, etc., is also subjected to spatial decomposition in accordance with geometric regions into which the original material medium is divided (Fig. . 3-6). Each section of the decomposition, which is a geometric region (Fig. 5), with a corresponding specific set of the above initial data, corresponds to its own set of physicochemical and dynamic processes distributed over a given geometric region (Fig. 6).
Последующая обработка меняющихся во времени указанных данных для химически реагирующей газовой смеси в каждой геометрической области может быть осуществлена с помощью следующей системы уравнений, соответствующей законам сохранения массы каждой компоненты химически реагирующей смеси, закону сохранения импульса и энергии газовой смеси:Subsequent processing of the time-varying data for a chemically reacting gas mixture in each geometric region can be carried out using the following system of equations corresponding to the laws of conservation of the mass of each component of a chemically reacting mixture, the law of conservation of momentum and energy of the gas mixture:
в которой и - вектор скорости, 
В каждой полученной геометрической области выполняется подготовка данных для решения на процессорах общего назначения и специализированных сопроцессорах вычислительной системы (Фиг. 1) путем разделения физико-химических и динамических процессов на газодинамические, термодиффузионные и химические процессы. Этот принцип называется декомпозицией по физическим процессам, в рамках которого различные члены уравнений интегрируются по своим алгоритмам. Данные выявленных химических процессов передаются в память специализированных сопроцессоров, где и происходит параллельное интегрирование членов, отвечающих за химические взаимодействия, с помощью специализированных ориентированных на данные сопроцессоры алгоритмов, которые обеспечивают максимальную скорость выполнения именно этой операции (в ущерб другим) и обмена данными со встроенной памятью. Процессоры общего назначения при этом не используются для интегрирования жестких систем уравнений, а используют высвобождаемое время и ресурсы для вычисления газодинамических и термодиффузионных процессов.In each obtained geometric region, data is prepared for solution on general-purpose processors and specialized coprocessors of the computing system (Fig. 1) by dividing physicochemical and dynamic processes into gas-dynamic, thermal diffusion and chemical processes. This principle is called decomposition by physical processes, within which the various terms of the equations are integrated according to their algorithms. The data of the identified chemical processes are transferred to the memory of specialized coprocessors, where the parallel integration of the members responsible for chemical interactions takes place using specialized data-oriented coprocessors algorithms that ensure the maximum speed of this operation (to the detriment of others) and data exchange with the built-in memory ... In this case, general-purpose processors are not used to integrate rigid systems of equations, but use the freed up time and resources to calculate gas-dynamic and thermal diffusion processes.
Разбиение указанной выше системы на газодинамическую и термодиффузионную часть, а также на химическую, может быть произведено следующим образом:The division of the above system into gas-dynamic and thermodiffusion parts, as well as into a chemical one, can be done as follows:
Левая системы представляет собой систему, описывающую газодинамическую и термодиффузионную части исходной системы, а правая - химическую. Решение левой системы производится на процессорах общего назначения, а правой - на, по меньшей мере, одном специализированном сопроцессоре.The left-hand system is a system that describes the gas-dynamic and thermodiffusion parts of the original system, and the right-hand one is the chemical one. The solution to the left system is performed on general-purpose processors, and on the right - on at least one specialized coprocessor.
В качестве процессора общего назначения может быть использован любой доступный процессор, используемый в электронных вычислительных машинах. Причем, использование более производительного процессора и их большего числа может сократить время расчета данной системы.Any available processor used in electronic computers can be used as a general-purpose processor. Moreover, the use of a more efficient processor and a larger number of them can reduce the calculation time of this system.
В качестве специализированного сопроцессора, используемого для решения правой системы, может быть использован любой специализированный доступный сопроцессор, к примеру, Intel Xeon Phi. Однако, предпочтительно использование специализированного сопроцессора, архитектура которого адаптирована для решения правой системы уравнений.Any specialized coprocessor available, for example, Intel Xeon Phi, can be used as a specialized coprocessor used to solve the right system. However, it is preferable to use a specialized coprocessor, the architecture of which is adapted to solve the right-hand system of equations.
После того, как параметры системы загружены в соответствующие разделы памяти, т.е. создана и сохранена цифровая электронная копия моделируемой системы, необходимо подключить симуляционную модель, позволяющую прогнозировать поведение системы протекания физических процессов во времени. Центральной частью модели является интегрирование указанной выше системы жестких дифференциальных уравнений в частных производных, содержащих источниковые члены с сильной зависимостью от параметров (Фиг. 2).After the system parameters are loaded into the appropriate memory sections, i.e. created and saved a digital electronic copy of the simulated system, it is necessary to connect a simulation model that allows predicting the behavior of the system of the course of physical processes in time. The central part of the model is the integration of the above system of stiff partial differential equations containing source terms with a strong dependence on parameters (Fig. 2).
Различные члены уравнений отвечают за различные физические процессы: конвективный перенос, кондуктивные потоки, химические взаимодействия. Все эти процессы протекают на различных временных масштабах. Поэтому их совместное интегрирование представляет длительную процедуру, лимитируемую самой медленной стадией. Передача параметров для интегрирования химических процессов параллельно на специализированных сопроцессорах существенно сокращает время расчета химических взаимодействий, тем самым сокращая время решения всей задачи в целом, а также предоставляя возможность интегрирования остальных членов уравнений на универсальных процессорах общего назначения с повышенной точностью за счет высвобождения вычислительных ресурсов.Different terms of the equations are responsible for different physical processes: convective transfer, conductive flows, chemical interactions. All these processes take place on different time scales. Therefore, their joint integration is a lengthy procedure limited by the slowest stage. The transfer of parameters for the integration of chemical processes in parallel on specialized coprocessors significantly reduces the time for calculating chemical interactions, thereby reducing the time for solving the entire problem as a whole, as well as providing the ability to integrate the rest of the equations on general-purpose processors with increased accuracy by freeing up computing resources.
Время протекания газодинамических и термодиффузионных процессов может быть оценено исходя из условия устойчивости Куранта-Фридрихса-Леви. Время протекания химических процессов определяется адаптивно в ходе решения жесткой системы уравнение химической кинетики с учетом времени протекания газодинамических и термодиффузионных процессов.The time of occurrence of gas-dynamic and thermal diffusion processes can be estimated based on the Courant-Friedrichs-Levy stability condition. The time of occurrence of chemical processes is determined adaptively in the course of solving a rigid system, the equation of chemical kinetics, taking into account the time of occurrence of gas-dynamic and thermal diffusion processes.
Для интегрирования системы дифференциальных уравнений в частных производных значения параметров на новом временном слое определяются с учетом потоков через границы геометрической области (Фиг. 7-8). Поэтому для каждой указанной области необходимо получить данные о потоках через границу соседней геометрической области. Для этого осуществляется обмен данными.To integrate the system of partial differential equations, the values of the parameters at the new time layer are determined taking into account the flows through the boundaries of the geometric region (Figs. 7-8). Therefore, for each specified area, it is necessary to obtain data on the flows across the border of the adjacent geometric area. For this, data exchange is carried out.
Далее с помощью одного или более упомянутых сопроцессоров осуществляют в выбранной упомянутой геометрической области обработку параметров, описывающих химические процессы. В ходе данной обработки выполняется моделирование изменения параметров физических процессов во времени за счет химических процессов или других взаимодействий, например, радиационных, описываемых жесткими системами уравнений (см. Фиг. 2), с помощью интегрирования однотипных уравнений кинетики. Полученные результаты обработки параметров, в частности, изменение параметров физических процессов во времени передаются на, по меньшей мере, один процессор общего назначения.Further, with the help of one or more of the mentioned coprocessors, the parameters describing chemical processes are processed in the selected said geometric region. In the course of this processing, the simulation of changes in the parameters of physical processes in time is performed due to chemical processes or other interactions, for example, radiation, described by rigid systems of equations (see Fig. 2), using the integration of the same type of kinetic equations. The obtained results of processing the parameters, in particular, the change in the parameters of physical processes in time are transmitted to at least one general-purpose processor.
Количество процессоров общего назначения зависит от количества полученных геометрических областей исходной материальной среды, в частности, для получения наилучшего результата, количество таких процессоров должно быть равно или превышать количество геометрических областей (Фиг. 9). С помощью процессоров общего назначения осуществляется сбор и обработка рассчитанных изменений параметров каждой геометрической области, полученной в ходе упомянутой декомпозиции; и происходит обмен потоками данных определяющих характеристик (массы компонентов, количества движения, энергии, энтропии), вычисленных при обработке параметров, описывающих процессы в каждой геометрической области, через границы между областями геометрической декомпозиции. В результате создают новую цифровую электронную копию системы, соответствующую новому заданному моменту времени (Фиг. 10).The number of general-purpose processors depends on the number of obtained geometric regions of the original material environment, in particular, to obtain the best result, the number of such processors should be equal to or greater than the number of geometric regions (Fig. 9). With the help of general-purpose processors, the collection and processing of the calculated changes in the parameters of each geometric region obtained during the said decomposition is carried out; and there is an exchange of data streams of defining characteristics (masses of components, momentum, energy, entropy), calculated during processing of the parameters describing the processes in each geometric region, across the boundaries between the regions of geometric decomposition. As a result, a new digital electronic copy of the system is created corresponding to a new predetermined point in time (Fig. 10).
Количество макроитераций в каждой указанной области геометрической декомпозиции определяется исходя из особенностей задачи моделирования, связанного со временем протекания соответствующих процессов. Количество итераций при расчете химических взаимодействий определяется требованиями к интегрированию на специализированном сопроцессоре жесткой системы обыкновенных дифференциальных уравнений, полученной при декомпозиции системы в частных производных по физическим процессам, и, как правило, на порядки превосходит количество макроитераций. При этом процессорное время интегрирования различных процессов не будет сильно отличаться ввиду использования специализированных процессоров, максимально эффективных при решении конкретного типа дифференциальных уравнений, но малоэффективных для выполнения прочих операций.The number of macroiterations in each specified area of geometric decomposition is determined based on the features of the modeling problem associated with the time of the corresponding processes. The number of iterations in calculating chemical interactions is determined by the requirements for integration on a specialized coprocessor of a rigid system of ordinary differential equations obtained by decomposition of the system in partial derivatives in terms of physical processes, and, as a rule, exceeds the number of macroiterations by orders of magnitude. At the same time, the processor integration time of various processes will not differ greatly due to the use of specialized processors, which are most effective in solving a specific type of differential equations, but ineffective for performing other operations.
Частный пример вычисления с помощью патентуемого способа трехмерных полей давления при отражении ударной волны в детонирующем газе от клиновидного уступа приведен на Фиг. 11-12 в форме значения параметров давления в двух взаимно перпендикулярных плоскостях меридионального сечения для различных последовательных моментов времени. При этом в качестве исходной материальной среды, допускающей химические трансформации, использовалась камера детонационной трубы, заполненной водородно-воздушной газовой смесью. В качестве исходных данных рассматривались поля скоростей, температуры, давления и массовых долей смеси в данной области. Геометрическое разбиение области производилось в зависимости от количества вычислительных ресурсов системы путем разбиения физической области по ее наибольшей стороне в равных частях. Выделение и разделение физико-химических и динамических процессов на газодинамические, термодиффузионные и химические процессы осуществлялось по указанной выше системе уравнений.A particular example of the calculation using the patented method of three-dimensional pressure fields upon reflection of a shock wave in a detonating gas from a wedge-shaped ledge is shown in Fig. 11-12 in the form of the values of the pressure parameters in two mutually perpendicular planes of the meridional section for different successive points in time. In this case, the detonation tube chamber filled with a hydrogen-air gas mixture was used as the initial material medium allowing chemical transformations. The fields of velocities, temperature, pressure, and mass fractions of the mixture in this area were considered as the initial data. Geometric partitioning of the area was carried out depending on the amount of computing resources of the system by partitioning the physical area along its largest side in equal parts. The isolation and separation of physicochemical and dynamic processes into gas-dynamic, thermal diffusion and chemical processes was carried out according to the above system of equations.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020134379A RU2756881C9 (en) | 2020-10-19 | 2020-10-19 | Method for computational modeling of combustion gas dynamics processes occurring in material medium that allows chemical transformations |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020134379A RU2756881C9 (en) | 2020-10-19 | 2020-10-19 | Method for computational modeling of combustion gas dynamics processes occurring in material medium that allows chemical transformations |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2756881C1 true RU2756881C1 (en) | 2021-10-06 |
| RU2756881C9 RU2756881C9 (en) | 2022-04-27 |
Family
ID=78000285
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020134379A RU2756881C9 (en) | 2020-10-19 | 2020-10-19 | Method for computational modeling of combustion gas dynamics processes occurring in material medium that allows chemical transformations |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2756881C9 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070219766A1 (en) * | 2006-03-17 | 2007-09-20 | Andrew Duggleby | Computational fluid dynamics (CFD) coprocessor-enhanced system and method |
| RU118756U1 (en) * | 2012-04-16 | 2012-07-27 | Закрытое Акционерное Общество "Транзас" | DEVICE FOR MODELING PORTABLE BURNING PROCESSES |
| RU2016131908A (en) * | 2016-08-03 | 2018-02-08 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр Вычислительного Моделирования" | METHOD FOR COMPUTATIONAL MODELING OF GAS DYNAMICS OF COMBUSTION |
-
2020
- 2020-10-19 RU RU2020134379A patent/RU2756881C9/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070219766A1 (en) * | 2006-03-17 | 2007-09-20 | Andrew Duggleby | Computational fluid dynamics (CFD) coprocessor-enhanced system and method |
| RU118756U1 (en) * | 2012-04-16 | 2012-07-27 | Закрытое Акционерное Общество "Транзас" | DEVICE FOR MODELING PORTABLE BURNING PROCESSES |
| RU2016131908A (en) * | 2016-08-03 | 2018-02-08 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр Вычислительного Моделирования" | METHOD FOR COMPUTATIONAL MODELING OF GAS DYNAMICS OF COMBUSTION |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| СТАМОВ Л.И., Е.В. МИХАЛЬЧЕНКО Е.В. Моделирование процессов горения и детонации на гибридных вычислительных системах, М., МГУ, 2014, с. 174-177. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2756881C9 (en) | 2022-04-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Xian et al. | Multi-GPU performance of incompressible flow computation by lattice Boltzmann method on GPU cluster | |
| Schmidt et al. | Large scale parallel solution of incompressible flow problems using uintah and hypre | |
| CN112380793B (en) | GPU-based turbulence combustion numerical simulation parallel acceleration implementation method | |
| Vanka | 2012 Freeman scholar lecture: computational fluid dynamics on graphics processing units | |
| Ahmad et al. | Computational analysis of time-fractional models in energy infrastructure applications | |
| Jiang et al. | A simple and efficient parallel immersed boundary-lattice Boltzmann method for fully resolved simulations of incompressible settling suspensions | |
| Toro et al. | A flux‐vector splitting scheme for the shallow water equations extended to high‐order on unstructured meshes | |
| Sanderse et al. | Scientific machine learning for closure models in multiscale problems: A review | |
| Udoewa et al. | Computational fluid dynamics | |
| Malhotra et al. | A volume integral equation Stokes solver for problems with variable coefficients | |
| Soni et al. | Development of an overset grid computational fluid dynamics solver on graphical processing units | |
| Zhang et al. | Parallel computation of a dam-break flow model using OpenACC applications | |
| RU2756881C1 (en) | Method for computational modeling of combustion gas dynamics processes occurring in material medium that allows chemical transformations | |
| Runchal | The future of CFD and the CFD of the future | |
| Gortsas et al. | A local domain BEM for solving transient convection-diffusion-reaction problems | |
| Shutyaev et al. | Numerical solution of the problem of variational data assimilation to restore heat fluxes and initial state for the ocean thermodynamics model | |
| Salas | A brief history of shock-fitting | |
| Liu et al. | A combined immersed finite element and conservative semi-Lagrangian scheme for plasma-material interactions | |
| Grigoryev et al. | Supercomputer model of dynamical dusty gas with intense momentum transfer between phases based on OpenFPM library | |
| Spinelli et al. | Leveling out interface temperature for conjugate heat transfer problems | |
| Oh et al. | A Hybrid Multiscale Finite Cloud Method and Finite Volume Method in Solving High Gradient Problem | |
| Podryga et al. | Multiscale mathematical modeling of the metal nanoparticles motion in a gas flow | |
| Gao et al. | Machine learning-based reduced-order reconstruction method for flow fields | |
| Borisov et al. | Simulation of multicomponent gas flows using double-flux method | |
| Nikiforov et al. | Application of Parallel Programming Methods for Simulating Flow Diversion Technologies on Hybrid Architecture Computers |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TK4A | Correction to the publication in the bulletin (patent) |
Free format text: CORRECTION TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL 28-2021 FOR INID CODE(S) (72) |
|
| TH4A | Reissue of patent specification |