RU2756881C9 - 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
- RU2756881C9 RU2756881C9 RU2020134379A RU2020134379A RU2756881C9 RU 2756881 C9 RU2756881 C9 RU 2756881C9 RU 2020134379 A RU2020134379 A RU 2020134379A RU 2020134379 A RU2020134379 A RU 2020134379A RU 2756881 C9 RU2756881 C9 RU 2756881C9
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- processes
- specified
- chemical
- time
- dynamic
- 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, designed for specialized data processing, in particular to a method of 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 the predictive modeling of these processes in natural and technical systems, and on its basis the control of combustion processes. Burning in natural conditions can manifest itself in the form of disasters (forest fires, burning peat bogs). Among the multiscale phenomena, it is necessary to highlight the complex problems of predictive computational modeling of fuel combustion in existing and projected technical and natural systems, the benefits from solving which, and from the introduction of new technologies developed, 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, there are various attempts to build an optimal computing system to increase the speed of data processing of the course of physical and chemical 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 threads to improve the stability and speed of processing.
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 calculation of the hydrodynamics of liquid media (application US 2007219766, 09/20/2007), 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 interfacial processes, as well as the long time of the calculation 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:A known method of computational modeling of the processes of gas dynamics of combustion occurring in a spatial material environment in which the occurrence of chemical transformations is possible, including the following actions sequentially carried out:
- 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 the course of chemical transformations is possible, the initial data describing the interconnected physico-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 physicochemical and dynamic processes;
- осуществляют для каждой указанной геометрической области декомпозицию указанных физико-химических и динамических процессов на газодинамические, термодиффузионные и химические процессы;- carry out for each specified geometric region decomposition of the specified physical-chemical and dynamic processes 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).- carry out the subsequent processing of the specified data changing in time in each geometric region using a hybrid cluster system of parallel computing, each node of which includes a set of computing devices, such as: a general-purpose processor and at least one coprocessor, while using for calculations only a coprocessor (see L.I. Stamov, E.V. Mikhalchenko. Modeling of combustion and detonation processes on hybrid computing systems, M., 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 processes 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 graphics 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 organizing a new architecture and a system for exchanging computing 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 interfacial 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 to increase the accuracy of calculations and reduce the time of their implementation when building a real digital model, which will reduce the time to develop a digital twin that allows predicting 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 actions performed in sequence:
- определяют в исходной указанной материальной среде, допускающей химические трансформации, исходные данные, описывающие взаимосвязанные физико-химические и динамические процессы;- determine in the initial specified material environment, allowing chemical transformations, the initial data describing the interconnected physico-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 physicochemical and dynamic processes;
- осуществляют для каждой указанной геометрической области декомпозицию указанных физико-химических и динамических процессов на газодинамические, термодиффузионные и химические процессы;- carry out for each specified geometric region decomposition of the specified physico-chemical and dynamic processes 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,- carry out subsequent processing of the indicated data changing in time in each geometric region using a hybrid cluster parallel computing system, each node of which includes a set 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 performing the decomposition of the indicated physicochemical and dynamic processes, the initial data describing the course of the indicated processes in time are recorded and an initial digital copy of the indicated material medium is created, and the subsequent processing of the indicated data changing over time in each geometric area using the node of 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 stiff systems of equations used , including when solving problems of combustion,
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 the data from the boundaries of neighboring geometric regions and the time of the processes themselves to a given end point in 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.then they determine the change in the parameters of the indicated gas-dynamic and thermal diffusion processes in time in each geometric region, taking into account the course of chemical processes, and build a new digital copy corresponding to a given end point in time, and based on this digital copy, data are determined that describe the interconnected physicochemical and dynamic processes occurring 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, allows for balanced modeling of multiscale processes, taking into account kinetic, gas-dynamic, thermal diffusion and interfacial processes with the same accuracy and allows to achieve acceleration of calculations due to a more dynamic loading of the computer system and the use of all resources, namely, the central processing unit and a specialized coprocessor.
Фиг. 1 иллюстрирует пример алгоритмической компоновки гибридного вычислительного узла.Fig. 1 illustrates an example algorithmic layout of 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 grid distribution of a given value.
Фиг. 5 иллюстрирует пример декомпозиции области на примере сеткиFig. 5 illustrates an example of domain decomposition on an example grid
Фиг. 6 иллюстрирует пример декомпозиции величины на сетке.Fig. 6 illustrates an example of a value decomposition 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 flows across boundaries between geometric regions of a 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 quantity under consideration, 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 calculating three-dimensional pressure fields using the claimed method when a shock wave in a detonating gas is reflected from a wedge-shaped ledge; the values of the parameters in two mutually perpendicular planes of the meridional section are given for various 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 non-equilibrium turbulent combustion and transient regimes in a spatial material environment in which chemical transformations are possible and filled, for example, with a metastable mixture of inert and combustible components, and is based on the use of hybrid high-performance computing systems containing along with universal processors general-purpose specialized coprocessors designed to solve stiff systems of equations, characterized by an 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 patent-pending method for integrating stiff systems of partial differential equations with Arrhenius-type Source terms is to conduct parallel modeling of gas-dynamic and thermal diffusion processes using traditional cluster architectures of supercomputers, and chemical processes using a specialized coprocessor focused on solving stiff 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 system of initial data are determined, which describes the interconnected physicochemical and dynamic processes in a certain material environment that allows chemical transformations. For example, the environment may be a spatial region filled with a metastable mixture of inert and combustible components. Environment parameter fields can be defined as initial data, such as:
- плотности веществ, расположенных в материальной среде, а также их скорость и температура.- 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.The 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 conducting supercomputer simulation of combustion gas dynamics processes for organizing parallel computations, a spatial decomposition of the material medium under consideration, which allows chemical transformations, is performed. This decomposition is necessary to distribute the initial data among the resources of the existing computing system. In the course of this decomposition, the initial material environment is divided into geometric regions. The entire system of initial data, which can be the fields of medium parameters specified in space: density, pressure, temperature, concentration of reagents, thermophysical properties, etc., is also subjected to spatial decomposition in accordance with the geometric regions into which the initial material medium is divided (Fig. .3-6). Each decomposition section, 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 indicated 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 the 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 computer system (Fig. 1) by separating physicochemical and dynamic processes into gas-dynamic, thermal diffusion and chemical processes. This principle is called decomposition by physical processes, in 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 coprocessor algorithms that provide the maximum speed of performing this particular 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 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 the gas-dynamic and thermal-diffusion parts, as well as into the chemical part, 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 system is a system describing the gas-dynamic and thermal-diffusion parts of the original system, and the right one is the chemical one. The left system is solved on general purpose processors, and the right system is solved 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.As a general purpose processor, any available processor used in electronic computers can be used. 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 dedicated coprocessor available, such as the Intel Xeon Phi, can be used as the dedicated coprocessor used to solve the right system. However, it is preferable to use a specialized coprocessor whose architecture is adapted to solve the right 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 sections of memory, i.e. a digital electronic copy of the simulated system has been created and saved, it is necessary to connect a simulation model that allows predicting the behavior of the system 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 transport, 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 integrating 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, and also providing the possibility of integrating the remaining terms of the equations on universal general-purpose processors with increased accuracy due to the release of 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 flow time of gas-dynamic and thermal diffusion processes can be estimated based on the Courant-Friedrichs-Levy stability condition. The time of the course of chemical processes is determined adaptively in the course of solving a rigid system of the equation of chemical kinetics, taking into account the time of the course 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 differential equations in partial derivatives, the values of the parameters on the new time layer are determined taking into account the flows through the boundaries of the geometric region (Fig. 7-8). Therefore, for each specified area, it is necessary to obtain data on flows through the boundary of the neighboring geometric area. For this, data is exchanged.
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 processing of parameters describing chemical processes is carried out in the selected geometric region. During this processing, the change in the parameters of physical processes in time due to chemical processes or other interactions, for example, radiation, described by rigid systems of equations (see Fig. 2), is simulated by integrating similar kinetic equations. The results of parameter processing, in particular, the change in the parameters of physical processes over 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 source material medium, 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 in the course of the mentioned decomposition is carried out; and there is an exchange of data streams of defining characteristics (mass of components, momentum, energy, entropy), calculated during the processing of parameters describing processes in each geometric region, across the boundaries between 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 region of the 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 the calculation of chemical interactions is determined by the requirements for integration on a specialized coprocessor of a rigid system of ordinary differential equations obtained by decomposing the system in partial derivatives with respect to 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 much due to the use of specialized processors that are most effective in solving a particular type of differential equations, but inefficient 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 calculating, using the patented method, three-dimensional pressure fields when a shock wave is reflected in a detonating gas from a wedge-shaped ledge is shown in FIG. 11-12 in the form of values of pressure parameters in two mutually perpendicular planes of the meridional section for various consecutive moments of time. In this case, the chamber of a detonation tube 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 the given region were considered as initial data. The geometric partition of the area was made depending on the amount of computing resources of the system by splitting the physical area along its largest side in equal parts. Isolation and separation of physical-chemical 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 RU2756881C1 (en) | 2021-10-06 |
| RU2756881C9 true 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 |
|---|---|
| RU2756881C1 (en) | 2021-10-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zawawi et al. | A review: Fundamentals of computational fluid dynamics (CFD) | |
| Dijkstra et al. | Numerical bifurcation methods and their application to fluid dynamics: analysis beyond simulation | |
| Xian et al. | Multi-GPU performance of incompressible flow computation by lattice Boltzmann method on GPU cluster | |
| Attarakih et al. | Numerical solution of the spatially distributed population balance equation describing the hydrodynamics of interacting liquid–liquid dispersions | |
| Gaudreault et al. | An efficient exponential time integration method for the numerical solution of the shallow water equations on the sphere | |
| Schmidt et al. | Large scale parallel solution of incompressible flow problems using uintah and hypre | |
| Galteland et al. | Pressures inside a nano-porous medium. The case of a single phase fluid | |
| Grave et al. | A new convected level-set method for gas bubble dynamics | |
| 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 | |
| Marin et al. | A highly accurate boundary treatment for confined Stokes flow | |
| Guillard et al. | A Darcy law for the drift velocity in a two-phase flow model | |
| Xiao et al. | Radial basis function-differential quadrature-based physics-informed neural network for steady incompressible flows | |
| RU2756881C9 (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 | |
| Barret et al. | Schemes to compute unsteady flashing flows | |
| Tonicello et al. | A high-order diffused-interface approach for two-phase compressible flow simulations using a Discontinuous Galerkin framework | |
| Zhang et al. | Eulerian modelling of compressible three-fluid flows with surface tension | |
| Liu et al. | A combined immersed finite element and conservative semi-Lagrangian scheme for plasma-material interactions | |
| Loilier et al. | Numerical experiments of two-phase flow in pipelines with a two-fluid compressible model | |
| Urvachev et al. | Simulation of SN2009ip Bolometric Light Curves | |
| Oh et al. | A Hybrid Multiscale Finite Cloud Method and Finite Volume Method in Solving High Gradient Problem |
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 |