Суперкомпьютерное многомасштабное моделирование течений газовых смесей в микроканалах.

Авторы

DOI:

https://doi.org/10.26089/NumMet.v19r104

Ключевые слова:

многомасштабное моделирование, течение газовой смеси, микроканалы, параллельные алгоритмы, высокопроизводительные вычисления

Аннотация

Статья посвящена моделированию течений реальных газов и их смесей в микроканалах технических систем с использованием высокопроизводительных вычислений. Для моделирования используется многомасштабный двухуровневый подход, сочетающий расчеты на макро- и микроуровнях. Подход позволяет исследовать многокомпонентные течения в микроканалах сложной геометрии в широком диапазоне чисел Кнудсена. Параллельная реализация основана на методе разделения областей и функциональном параллелизме и ориентирована на использование вычислительных систем с гибридной архитектурой. В качестве примера рассмотрена задача истечения смеси азота и водорода в вакуум. На этом примере исследована корректность многомасштабного подхода. Кроме того, представлены результаты прямого молекулярно-динамического моделирования течения азота в никелевом микросопле, в том числе характеристика эффективности распараллеливания при большом числе частиц (0.5 млрд) и профили скорости в микросопле в зависимости от времени.

Авторы

В.О. Подрыга

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

С.В. Поляков

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

Библиографические ссылки

  1. J. O. Hirschfelder, C. F. Curtis, and R. B. Bird, The Molecular Theory of Gases and Liquids (Wiley, New York, 1954).
  2. J. M. Haile, Molecular Dynamics Simulation: Elementary Methods (Wiley, New York, 1992).
  3. 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)].
  4. 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).
  5. T. G. Elizarova, Quasi-Gas Dynamic Equations and Methods for the Computation of Viscous Flow (Nauchnyi Mir, Moscow, 2007) [in Russian].
  6. Yu. V. Sheretov, Dynamics of Continuum Media under Spatiotemporal Averaging (Regular and Chaotic Dynamics, Izhevsk, 2009) [in Russian].
  7. 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)].
  8. R. Eymard, T. R. Gallouet, and R. Herbin, “The Finite Volume Method,” in Handbook of Numerical Analysis (North Holland, Amsterdam, 2000), Vol. 7, pp. 713-1020.
  9. R. Li, Zh. Chen, and W. Wu, Generalized Difference Methods for Differential Equations: Numerical Analysis of Finite Volume Methods (Marcel Dekker, New York, 2000).
  10. I. V. Popov and I. V. Fryazinov, Adaptive Artificial Viscosity Method for Numerical Solution of Gas Dynamics Equations (Krasand, Moscow, 2015) [in Russian].
  11. W. Gautschi, Numerical Analysis (Birkh854user, New York, 2012).
  12. L. Verlet, “Computer ’Experiments’ on Classical Fluids. I. Thermodynamical Properties of Lennard-Jones Molecules,” Phys. Rev. 159, 98-103 (1967).
  13. V. O. Podryga, “Molecular Dynamics Method for Simulation of Thermodynamic Equilibrium,” Mat. Model. 22 (11), 39-48 (2010) [Math. Models Comput. Simul. 3 (3), 382-388 (2011)].
  14. 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).
  15. T. A. Kudryashova, V. O. Podryga, and S. V. Polyakov, “Simulation of Gas Mixture Flows in Microchannels,” Vestn. Peoples’ Friendship Univ. Ser. Mat. Inf. Phys., No. 3, 154-163 (2014).
  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. V. O. Podryga and S. V. Polyakov, Multiscale Modeling of Gas Jet Outflow to Vacuum , Preprint No. 81 (Keldysh Inst. Appl. Math., Moscow, 2016).
  18. A. Ramos, G. Tejeda, J. M. Fernández, and S. Montero, “Nonequilibrium Processes in Supersonic Jets of N_2, H_2, and N_2 + H_2 Mixtures: (I) Zone of Silence,” J. Phys. Chem. A 113, 8506-8512 (2009).

Загрузки

Опубликован

2018-02-07

Как цитировать

Подрыга В.О., Поляков С.В. Суперкомпьютерное многомасштабное моделирование течений газовых смесей в микроканалах. // Вычислительные методы и программирование. 2018. 19. 38-50. doi 10.26089/NumMet.v19r104

Выпуск

Раздел

Раздел 1. Вычислительные методы и приложения