Трехмерное моделирование методом LBE на гибридных GPU-кластерах распада бинарной смеси жидкого диэлектрика с растворенным газом на систему парогазовых каналов

Авторы

  • А.Л. Куперштох Институт гидродинамики имени М.А. Лаврентьева СО РАН (ИГиЛ СО РАН)

Ключевые слова:

метод решеточных уравнений Больцмана, фазовые переходы, динамика многофазных сред, бинарные смеси, пробой жидких диэлектриков, компьютерное моделирование, параллельные вычисления, графические процессоры, гибридные суперкомпьютеры

Аннотация

При моделировании фазовых переходов метод решеточных уравнений Больцмана (Lattice Boltzmann Equation, LBE) представляет собой метод сквозного счета границ раздела фаз. Алгоритм LBE хорошо распараллеливается на большое количество потоковых процессоров в современных графических ускорителях (Graphics Processing Unit, GPU). Использование гибридных GPU-кластеров позволило выйти на принципиально новый уровень моделирования мультифизических задач. Были проведены трехмерные расчеты спинодальной декомпозиции на сетках свыше 250 миллионов узлов. Выполнено трехмерное моделирование анизотропного распада бинарных смесей жидкого диэлектрика и растворенного газа в экстремальных электрических полях на двухфазную систему нитевидных парогазовых каналов в жидкости, параллельных локальному вектору электрического поля. Расчет электрического поля выполнялся с учетом изменения диэлектрической проницаемости бинарной среды во времени и в пространстве. Парогазовые каналы расширяются как за счет диффузии растворенного газа из жидкости и испарения жидкого вещества внутрь каналов, так и за счет коалесценции каналов друг с другом. Показано, что критическая напряженность однородного электрического поля значительно уменьшается при увеличении концентрации растворенного газа. Это указывает на то, что в наносекундном диапазоне пробоя реальных жидких диэлектриков возможен механизм зарождения, роста и ветвления каналов стримеров путем анизотропного (электрострикционного) распада. Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (проект № 07.514.11.4106).

Автор

А.Л. Куперштох

Институт гидродинамики имени М.А. Лаврентьева СО РАН (ИГиЛ СО РАН)
просп. Лаврентьева, 15, 630090, Новосибирск
• ведущий научный сотрудник

Библиографические ссылки

  1. Kupershtokh A.L., Medvedev D.A. Anisotropic instability of a dielectric liquid in a strong uniform electric field: decay into a two-phase system of vapor filaments in a liquid // Phys. Rev. E. 2006. 74, N 2. 021505.
  2. Карпов Д.И., Куперштох А.Л. Анизотропный спинодальный распад полярного диэлектрика в сильном электрическом поле: метод молекулярной динамики // Письма в ЖТФ. 2009. 35, вып. 10. 87-94.
  3. An W., Baumung K., Bluhm H. Underwater streamer propagation analyzed from detailed measurements of pressure release // J. Appl. Phys. 2007. 101, N 5. 053302.
  4. Kupershtokh A.L., Karpov D.I. Simulation of ultra-fast streamer growth governed by the mechanism of anisotropic decay of a dielectric liquid into a liquid-vapor system in high electric fields // Proc. 5th Conf. SFE. Grenoble, France. 2006. 179-184.
  5. Куперштох А.Л. Моделирование течений с границами раздела фаз жидкость-пар методом решеточных уравнений Больцмана // Вестник НГУ. Серия «Математика, механика и информатика». 2005. 5, № 3. 29-42.
  6. Kupershtokh A.L., Medvedev D.A., Karpov D.I. On equations of state in a lattice Boltzmann method // Computers and Mathematics with Applications. 2009. 58, N 5. 965-974.
  7. Kupershtokh A.L. Criterion of numerical instability of liquid state in LBE simulations // Computers and Mathematics with Applications. 2010. 59, N 7. 2236-2245.
  8. Куперштох А.Л. Трехмерное моделирование двухфазных систем типа жидкость-пар методом решеточных уравнений Больцмана на GPU // Вычислительные методы и программирование. 2012. 13, № 1. 130-138.
  9. Qian Y.H., Orzag S.A. Lattice BGK models for the Navier-Stokes equation: nonlinear deviation in compressible regimes // Europhys. Lett. 1993. 21. 255-259.
  10. Qian Y.H., Chen S. Finite size effect in lattice-BGK models // Int. J. of Modern Physics C. 1997. 8, N 4. 763-771.
  11. Kupershtokh A.L., Karpov D.I., Medvedev D.A., Stamatelatos C., Charalambakos V.P., Pyrgioti E.C., Agoris D.P. Stochastic models of partial discharge activity in solid and liquid dielectrics // IET Sci. Meas. Technol. 2007. 1, N 6. 303-311.
  12. Kupershtokh A.L. New method of incorporating a body force term into the lattice Boltzmann equation // Proc. of the 5th International EHD. Workshop, Poitiers, France. 2004. 241-246.
  13. Куперштох А.Л. Учет действия объемных сил в решеточных уравнениях Больцмана // Вестник НГУ. Серия «Математика, механика и информатика». 2004. 4, № 2. 75-96.
  14. NVIDIA CUDA C. Programming Guide. Version 4.0. 2011.
  15. NVIDIA CUDA C. Programming Guide. Version 4.2. 2012.
  16. Бикулов Д.А., Сенин Д.С., Демин Д.С., Дмитриев А.В., Грачев Н.Е. Реализация метода решеточных уравнений Больцмана для расчетов на GPU-кластере // Вычислительные методы и программирование. 2012. 13, № 1. 13-19.
  17. Obrecht C., Kuznik F., Tourancheau B., Roux J.-J. Multi-GPU implementation of the lattice Boltzmann method // Computers and Mathematics with Applications. 2012.
    doi 10.1016/j.camwa.2011.02.020
  18. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Гос. изд-во физ.-мат. литературы, 1959.

Загрузки

Опубликован

28-06-2012

Как цитировать

Куперштох А. Трехмерное моделирование методом LBE на гибридных GPU-кластерах распада бинарной смеси жидкого диэлектрика с растворенным газом на систему парогазовых каналов // Вычислительные методы и программирование. 2012. 13. 384-390

Выпуск

Раздел

Раздел 1. Вычислительные методы и приложения