Многомасштабное суперкомпьютерное моделирование процессов очистки газа методом адсорбции

  • С.В. Поляков Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН (ИПМ РАН) https://orcid.org/0000-0003-1859-9034
  • Ю.Н. Карамзин Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН (ИПМ РАН) https://orcid.org/0000-0002-0155-2435
  • Т.А. Кудряшова Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН (ИПМ РАН) https://orcid.org/0000-0001-5128-008X
  • В.О. Подрыга Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН (ИПМ РАН) https://orcid.org/0000-0001-7874-6978
  • Д.В. Пузырьков Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН (ИПМ РАН)
  • Н.И. Тарасов Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН (ИПМ РАН) https://orcid.org/0000-0002-2342-1292
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.

Об авторах

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

Литература

  1. Страус В. Промышленная очистка газов. М.: Химия, 1981.
  2. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1976.
  3. Матвейкин В.Г., Погонин В.А., Путин С.Б., Скворцов С.А. Математическое моделирование и управление процессом короткоцикловой безнагревной адсорбции. М.: Машиностроение-1, 2007.
  4. Пикалов Е.С. Процессы и аппараты защиты окружающей среды. Физико-химические методы очистки промышленных выбросов в атмосферу и гидросферу. Владимир: Изд-во ВлГУ, 2016.
  5. Горбатенко Ю.А. Адсорбция примесей токсичного газа из загрязненного воздуха. Екатеринбург: УГЛТУ, 2014.
  6. Мазгаров А.М., Корнетова О.М. Технологии очистки попутного нефтяного газа от сероводорода. Казань: Казан. ун-т, 2015.
  7. Щербань Г.Т., Жукова М.И., Никулин Н.А., Обрубов В.А. Ресурсосбережение при очистке отходящих газов промышленности синтетического каучука. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1988.
  8. Бегун Л.Б., Траченко В.И. Адсорбционная очистка газовых выбросов от органических соединений. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1985.
  9. Кузьменко Н.М., Афанасьев Ю.М., Фролов Г.С., Глупанов В.Н. Адсорбционная очистка природного газа от сернистых соединений. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1987.
  10. Брунауэр С. Адсорбция газов и паров. М.: Издатинлит, 1948.
  11. Штокман Е.А. Очистка воздуха. М.: АСВ, 2007.
  12. Гладышев Н.Ф., Гладышева Т.В., Дворецкий С.И. Системы и средства регенерации и очистки воздуха обитаемых герметичных объектов. М.: Спектр, 2016.
  13. Солдатов В.С., Шункевич А.А., Марцинкевич В.В. Сравнительные исследования процесса умягчения воды гранульными и волокнистыми ионитами // Журнал прикладной химии. 2001. 74, № 9. 1477–1480.
  14. Захарченко Е.А., Моходоева О.Б., Мясоедова Г.В. Использование волокнистых “наполненных” сорбентов для динамического концентрирования благородных металлов // Сорбционные и хроматографические процессы. 2005. 5, № 5. 679–689.
  15. Комарова И.В., Галкина Н.К., Шептовецкая К.И. Исследования волокнистого сорбента, наполненного катионитом КУ-2, с использованием математических моделей процесса умягчения воды // Сорбционные и хроматографические процессы. 2010. 10, № 3. 371–377.
  16. Карамзин Ю.Н., Кудряшова Т.А., Подрыга В.О., Поляков С.В. Многомасштабное моделирование нелинейных процессов в технических микросистемах // Математическое моделирование. 2015. 27, № 7. 65–74.
  17. Kudryashova T., Karamzin Yu., Podryga V., Polyakov S. Two-scale computation of N2–H2 jet flow based on QGD and MMD on heterogeneous multi-core hardware // Advances in Engineering Software. 2018. 120. 79–87.
  18. Podryga V.O., Karamzin Yu.N., Kudryashova T.A., Polyakov S.V. Multiscale simulation of three-dimensional unsteady gas flows in microchannels of technical systems // Proc. of the Seventh European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering (ECCOMAS 2016). https://www.eccomas2016.org/proceedings/pdf/8869.pdf.
  19. Подрыга В.О. Многомасштабный подход к трехмерному расчету течений газов и их смесей в микроканалах технических систем // Доклады АН. 2016. 469, № 6. 656–658.
  20. Подрыга В.О., Поляков С.В. Параллельная реализация многомасштабного подхода для расчета микротечений газа // Вычислительные методы и программирование. 2016. 17. 147–165.
  21. Подрыга В.О., Поляков С.В. Многомасштабное моделирование истечения газовой струи в вакуум. Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. № 81. М., 2016.
  22. Kudryashova T., Podryga V., Polyakov S. HPC-simulation of gasdynamic flows on macroscopic and molecular levels // Nonlinearity. Problems, Solutions and Applications. New York: Nova Science Publishers, 2017. 543–556.
  23. Хейфец Л.И., Неймарк А.В. Многофазные процессы в пористых средах. М.: Химия, 1982.
  24. Москалев П.В., Шитов В.В. Математическое моделирование пористых структур. М: Физматлит, 2007.
  25. Хокни Р., Иствуд Дж. Численное моделирование методом частиц. М.: Мир, 1987.
  26. Rapaport D.C. The art of molecular dynamics simulation. Cambridge: Cambridge University Press, 2004.
  27. Fishman G.S. Monte Carlo: concepts, algorithms, and applications. New York: Springer, 1996.
  28. Белоцерковский О.М., Хлопков Ю.И. Методы Монте-Карло в механике жидкости и газа. М.: Азбука, 2008.
  29. Chetverushkin B.N. Kinetic schemes and quasi-gasdynamic system of equations. Barcelona: CIMNE, 2008.
  30. Елизарова Т.Г. Квазигазодинамические уравнения и методы расчета вязких течений. М.: Научный мир, 2007.
  31. Шеретов Ю.В. Динамика сплошных сред при пространственно-временном осреднении. Ижевск: Регулярная и хаотическая динамика, 2009.
  32. Елизарова Т.Г., Злотник А.А., Четверушкин Б.Н. О квазигазо- и гидродинамических уравнениях бинарных смесей газов // Доклады АН. 2014. 459, № 4. 395–399.
  33. Подрыга В.О., Поляков С.В., Пузырьков Д.В. Суперкомпьютерное молекулярное моделирование термодинамического равновесия в микросистемах газ–металл // Вычислительные методы и программирование. 2015. 16. 123–138.
  34. Подрыга В.О., Поляков С.В. Молекулярно-динамический расчет макропараметров газа в потоке и на границе. Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. № 80. М., 2016.
  35. Марчук Г.И. Методы расщепления. М.: Наука, 1988.
  36. Eymard R., Gallou¨et T., Herbin R. Finite volume methods // Handbook of Numerical Analysis. Vol. 7. Amsterdam: North Holland Publishing Company, 2000. 713–1018.
  37. Григорьев Ю.Н., Вшивков В.А., Федорук М.П. Численное моделирование методами частиц в ячейках. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004.
  38. Попов И.В., Поляков С.В. Построение адаптивных нерегулярных треугольных сеток для двумерных многосвязных невыпуклых областей // Математическое моделирование. 2002. 14, № 6. 25–35.
  39. Computational Fluid Dynamics in ANSYS CFX. https://www.cadfem-cis.ru/products/ansys/fluids/cfx/.
  40. Попов И.В., Фрязинов И.В. Метод адаптивной искусственной вязкости численного решения уравнений газовой динамики. М.: КРАСАНД, 2015.
  41. Карамзин Ю.Н., Поляков С.В. Экспоненциальные конечно-объемные схемы для решения эллиптических и параболических уравнений общего вида на нерегулярных сетках // Сеточные методы для краевых задач и приложения, Материалы Восьмой Всероссийской конференции. Казань: Изд-во Казанского гос. ун-та, 2010. 234–248.
Опубликован
2020-02-13
Как цитировать
Поляков, С., Карамзин, Ю., Кудряшова, Т., Подрыга, В., Пузырьков, Д., & Тарасов, Н. (2020). Многомасштабное суперкомпьютерное моделирование процессов очистки газа методом адсорбции. Вычислительные методы и программирование, 21(63), 64-77. извлечено от http://num-meth.srcc.msu.su/index.php/journal/article/view/1048
Раздел 1. Вычислительные методы и приложения