DOI: https://doi.org/10.26089/NumMet.v21r106

Многомасштабное суперкомпьютерное моделирование процессов очистки газа методом адсорбции

Авторы

  • С.В. Поляков
  • Ю.Н. Карамзин
  • Т.А. Кудряшова
  • В.О. Подрыга
  • Д.В. Пузырьков
  • Н.И. Тарасов

Ключевые слова:

многомасштабное суперкомпьютерное моделирование
процессы очистки газа методом адсорбции
высокопроизводительные вычисления

Аннотация

Рассматривается проблема суперкомпьютерного моделирования процессов очистки воздушной среды от мелкодисперсных твердых загрязняющих примесей, кластеризованных в виде наночастиц. Моделируемый способ очистки предполагает применение нанофильтров и сорбентов. Оба способа очистки часто комбинируются в современных очистных системах. Способ очистки с помощью нанофильтров позволяет получить высокое качество, но является дорогостоящим вследствие необходимости частой замены фильтрующих элементов (мембран). Способ очистки с помощью сорбентов оказывается несколько хуже по качеству, однако позволяет проводить очистку многократно после промывки сорбента специальными жидкостями. Для оптимизации систем воздушной очистки, использующих нанофильтры и сорбенты, необходимо детальное исследование протекающих в системе очистки процессов. В предлагаемом исследовании рассматривается часть проблемы, связанная с прохождением воздушного потока, содержащего твердые наночастицы загрязнителя, через слой гранулированного сорбента. Для этого разработаны многомасштабная математическая модель, численный алгоритм и параллельная реализация модели на макроскопическом масштабе. Новизна подхода связана с использованием квазигазодинамической модели для описания течения в сорбирующем слое и нескольких вариантов граничных условий на гранулах сорбента. Предварительные расчеты показали возможность расчета течений подобного класса.

Новые вычислительные технологии

Загрузки

Опубликован

2020-02-13

Выпуск

Том 21 (2020): Выпуск 1.

Раздел

Раздел 1. Вычислительные методы и приложения

Авторы

С.В. Поляков

Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН (ИПМ РАН)
Миусская пл., 4, 125047, Москва
• заведующий сектором

Ю.Н. Карамзин

Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН (ИПМ РАН)
Миусская пл., 4, 125047, Москва
• ведущий научный сотрудник

Т.А. Кудряшова

Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН (ИПМ РАН)
Миусская пл., 4, 125047, Москва
• старший научный сотрудник

В.О. Подрыга

Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН (ИПМ РАН)
Миусская пл., 4, 125047, Москва
• ведущий научный сотрудник

Д.В. Пузырьков

Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН (ИПМ РАН)
Миусская пл., 4, 125047, Москва
• младший научный сотрудник

Н.И. Тарасов

Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН (ИПМ РАН)
Миусская пл., 4, 125047, Москва
• младший научный сотрудник

Библиографические ссылки

  1. W. Strauss, Industrial Gas Cleaning (Pergamon, New York, 1975; Khimiya, Moscow, 1981).
  2. N. V. Keltsev, Fundamentals of Adsorption Technique (Khimiya, Moscow, 1976) [in Russian].
  3. V. G. Matveikin, V. A. Pogonin, S. B. Putin, and S. A. Skvortsov, Mathematical Modeling and Control of Short-Cycle Nonthermal Adsorption (Mashinostroenie-1, Moscow, 2007) [in Russian].
  4. E. S. Pikalov, Processes and Apparatuses for Environmental Protection. Physico-Сhemical Methods for Cleaning the Industrial Emissions in the Atmosphere and Gydrosphere (Vladimir Gos. Univ., Vladimir, 2016) [in Russian].
  5. Yu. A. Gorbatenko, Adsorption of Toxic Gas Impurities from Contaminated Air (Ural. Gos. Lesotekhn. Univ., Ekaterinburg, 2014) [in Russian].
  6. A. M. Mazgarov and O. M. Kornetova, Technologies for Cleaning Associated Gas from Hydrogen Sulphide (Kazan Univ., Kazan, 2015) [in Russian].
  7. G. T. Shcherban, M. I. Zhukova, N. A. Nikulin, and V. A. Obrubov, Resource-Saving during the Fume Cleaning in Synthetic Rubber Industry (TsNIITE Neftekhim., Moscow, 1988) [in Russian].
  8. L. B. Begun and V. I. Trachenko, Adsorption Refining of Gas Emissions from Organic Compounds (TsNIITE Neftekhim., Moscow, 1985) [in Russian].
  9. N. M. Kuz’menko, Yu. M. Afanas’ev, G. S. Frolov, and V. N. Glupanov, Adsorption Refining of Natural Gas from Sulfide Compounds (TsNIITE Neftekhim., Moscow, 1987) [in Russian].
  10. S. Brunauer, Adsorption of Gases and Vapors (Oxford Univ. Press, London, 1945; Izdatinlit, Moscow, 1948).
  11. E. A. Shtokman, Air Cleaning (ASW Press, Moscow, 2007) [in Russian].
  12. N. F. Gladyshev, T. V. Gladysheva, and S. I. Dvoretskiy, Systems of Air Regeneration and Cleaning in Habitable Hermetic Objects (Spektr, Moscow, 2016) [in Russian].
  13. V. S. Soldatov, A. A. Shunkevich, and V. V. Martsinkevich, “Comparative Study of Water Softening with Granular and Fibrous Ion Exchangers,” Zh. Prikl. Khim. 74 (9), 1477-1480 (2001) [Russ. J. Appl. Chem. 74 (9), 1521-1524 (2001)].
  14. E. A. Zakharchenko, O. B. Mokhodoeva, and G. V. Myasoedova, “Use of Fibrous Filled Sorbents for the Dynamic Concentration of Noble Metals,” Sorbtsion. Khromatich. Protsessy 5 (5), 679-689 (2005).
  15. I. V. Komarova, N. K. Galkina, and K. I. Shcheptovetskaya, “Study of Fibrous Sorbent Filled with Cation-Exchanger KU-2 Using Mathematical Models of Water Softening Process,” Sorbtsion. Khromatich. Protsessy 10 (3), 371-377 (2010).
  16. Yu. N. Karamzin, T. A. Kudryashova, V. O. Podryga, and S. V. Polyakov, “Multiscale Simulation of Nonlinear Processes in Technical Microsystems,” Mat. Model. 27 (7), 65-74 (2015).
  17. T. Kudryashova, Yu. Karamzin, V. Podryga, and S. Polyakov, “Two-Scale Computation of N_2-H_2 Jet Flow Based on QGD and MMD on Heterogeneous Multi-Core Hardware,” Adv. Eng. Softw. 120, 79-87 (2018).
  18. V. O. Podryga, Yu. N. Karamzin, T. A. Kudryashova, and S. V. Polyakov, “Multiscale Simulation of Three-Dimensional Unsteady Gas Flows in Microchannels of Technical Systems,” in Proc. Seventh European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering (ECCOMAS 2016), Crete Island, Greece, June 5-10, 2016.
    https://www.eccomas2016.org/proceedings/pdf/8869.pdf . Cited February 7, 2020.
  19. V. O. Podryga, “Multiscale Approach to Computation of Three-Dimensional Gas Mixture Flows in Engineering Microchannels,” Dokl. Akad. Nauk 469 (6), 656-658 (2016) [Dokl. Math. 94 (1), 458-460 (2016)].
  20. V. O. Podryga and S. V. Polyakov, “Parallel Implementation of Multiscale Approach to the Numerical Study of Gas Microflows,” Vychisl. Metody Programm. 17, 147-165 (2016).
  21. V. O. Podryga and S. V. Polyakov, Multiscale Modeling of Gas Jet Outflow to Vacuum , Preprint No. 81 (Keldysh Inst. Appl. Math., Moscow, 2016).
  22. T. Kudryashova, V. Podryga, and S. Polyakov, “HPC-Simulation of Gasdynamic Flows on Macroscopic and Molecular Levels,” in Nonlinearity. Problems, Solutions and Applications (Nova Science Publ., New York, 2017), pp. 543-556.
  23. L. I. Kheifets and A. V. Neimark, Multiphase Processes in Porous Media (Khimiya, Moscow, 1982) [in Russian].
  24. P. V. Moskalev and V. V. Shitov, Mathematical Modeling of Porous Structures (Fizmatlit, Moscow, 2007) [in Russian].
  25. R. W. Hockney and J. W. Eastwood, Computer Simulation Using Particles (McGraw-Hill, New York, 1981; Mir, Moscow, 1987).
  26. D. C. Rapaport, The Art of Molecular Dynamics Simulation (Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2004).
  27. G. S. Fishman, Monte Carlo: Concepts, Algorithms, and Applications (Springer, New York, 1996).
  28. O. M. Belotserkovskii and Yu. I. Khlopkov, Monte Carlo Methods in Mechanics of Fluid and Gas (Azbuka, Moscow, 2008; World Scientific Publ., Singapore, 2010).
  29. B. N. Chetverushkin, Kinetic Schemes and Quasi-Gasdynamic System of Equations (CIMNE, Barcelona, 2008).
  30. T. G. Elizarova, Quasi-Gas Dynamic Equations and Methods for the Computation of Viscous Flow (Nauchnyi Mir, Moscow, 2007) [in Russian].
  31. Yu. V. Sheretov, Dynamics of Continuum Media under Spatiotemporal Averaging (Regular and Chaotic Dynamics, Izhevsk, 2009) [in Russian].
  32. T. G. Elizarova, A. A. Zlotnik, and B. N. Chetverushkin, “On Quasi-Gasdynamic and Quasi-Hydrodynamic Equations for Binary Gas Mixtures,” Dokl. Akad. Nauk 459 (4), 395-399 (2014) [Dokl. Math. 90 (3), 719-723 (2014)].
  33. V. O. Podryga, S. V. Polyakov, and D. V. Puzyrkov, “Supercomputer Molecular Modeling of Thermodynamic Equilibrium in Gas-Metal Microsystems,” Vychisl. Metody Programm. 16, 123-138 (2015).
  34. V. O. Podryga and S. V. Polyakov, Molecular Dynamic Calculation of Gas Macroparameters in the Stream and on the Boundary , Preprint No. 80 (Keldysh Inst. Appl. Math., Moscow, 2016).
  35. G. I. Marchuk, Splitting Methods (Nauka, Moscow, 1988) [in Russian].
  36. R. Eymard, T. Gallouёt, and R. Herbin, “Finite Volume Methods,” in Handbook of Numerical Analysis (North Holland, Amsterdam, 2000), Vol. 7, pp. 713-1020.
  37. Yu. N. Grigor’ev, V. A. Vshivkov, and M. P. Fedoruk, Numerical Simulation with Particle-in-Cell Methods (Izd. Ross. Akad. Nauk, Novosibirsk, 2004) [in Russian].
  38. I. V. Popov and S. V. Polyakov, “Construction of Adaptive Irregular Triangular Grids for 2D Multiply Connected Nonconvex Domains,” Mat. Model. 14 (6), 25-35 (2002).
  39. Computational Fluid Dynamics in ANSYS CFX.
    https://www.cadfem-cis.ru/products/ansys/fluids/cfx/. Cited February 7, 2020.
  40. I. V. Popov and I. V. Fryazinov, Method of Adaptive Artificial Viscosity for Solving the Gas Dynamics Equations (Krasand, Moscow, 2014) [in Russian].
  41. Yu. N. Karamzin and S. V. Polyakov, “Exponential Finite Volume Schemes for Solving Elliptic and Parabolic Equations of the General Type on Irregular Grids,” in Proc. 8th All-Russian Conference on Grid Methods for Boundary-Value Problems and Applications, Kazan, Russia, September 30-October 5, 2010 (Kazan Gos. Univ., Kazan, 2010), pp. 234-248.