Суперкомпьютерное многомасштабное моделирование течений газовых смесей в микроканалах.

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.

Об авторах

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

Литература

  1. Hirschfelder J.O., Curtis C.F., Bird R.B. The molecular theory of gases and liquids. New York: Wiley, 1954.
  2. Haile J.M. Molecular dynamics simulation: elementary methods. New York: Wiley, 1992.
  3. Подрыга В.О. Многомасштабный подход к трехмерному расчету течений газов и их смесей в микроканалах технических систем // ДАН. 2016. 469, № 6. 656-658.
  4. Подрыга В.О., Поляков С.В. Параллельная реализация многомасштабного подхода для расчета микротечений газа // Вычислительные методы и программирование. 2016. 17. 147-165.
  5. Елизарова Т.Г. Квазигазодинамические уравнения и методы расчета вязких течений. М.: Научный мир, 2007.
  6. Шеретов Ю.В. Динамика сплошных сред при пространственно-временном осреднении. Ижевск: Регулярная и хаотическая динамика, 2009.
  7. Елизарова Т.Г., Злотник А.А., Четверушкин Б.Н. О квазигазо-и гидродинамических уравнениях бинарных смесей газов // ДАН. 2014. 459, № 4. 395-399.
  8. Eymard R., Gallouet T.R., Herbin R. The finite volume method // Handbook of Numerical Analysis. Vol. 7. Amsterdam: North Holland, 2000. 713-1020.
  9. Li R., Chen Zh., Wu W. Generalized difference methods for differential equations: numerical analysis of finite volume methods. New York: Marcel Dekker, 2000.
  10. Попов И.В., Фрязинов И.В. Метод адаптивной искусственной вязкости численного решения уравнений газовой динамики. М.: Красанд, 2015.
  11. Gautschi W. Numerical analysis. New York: Birkhäuser, 2012.
  12. Verlet L. Computer «experiments» on classical fluids. I. Thermodynamical properties of Lennard-Jones molecules // Phys. Rev. 1967. 159. 98-103.
  13. Подрыга В.О. Моделирование процесса установления термодинамического равновесия методом молекулярной динамики // Математическое моделирование. 2010. 22, № 11. 39-48.
  14. 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.
  15. Кудряшова Т.А., Подрыга В.О., Поляков С.В. Моделирование течений газовых смесей в микроканалах // Вестник РУДН. Серия: Математика. Информатика. Физика. 2014. № 3. 154-163.
  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. Подрыга В.О., Поляков С.В. Многомасштабное моделирование истечения газовой струи в вакуум. Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. № 81. М., 2016.
  18. Ramos A., Tejeda G., Fernandez J.M., Montero S. Nonequilibrium processes in supersonic jets of N_2, H_2, and N_2 + H_2 mixtures: (I) zone of silence // J. Phys. Chem. A. 2009. 113. 8506-8512.
Опубликован
2018-02-07
Как цитировать
Подрыга, В., & Поляков, С. (2018). Суперкомпьютерное многомасштабное моделирование течений газовых смесей в микроканалах. Вычислительные методы и программирование, 19(55), 38-50. https://doi.org/10.26089/NumMet.v19r104
Раздел 1. Вычислительные методы и приложения