文摘

并行特性曲线域分解方法应用于系统模拟氢的色散行为在这个工作。特性曲线的方法被用来近似navier - stokes方程和对流扩散方程,和解决复杂的多组分流动问题的可行性证明了氢扩散的数值模拟部分开放空间。布西涅斯克的一个类比近似应用和数值结果验证与实验数据进行比较。通风的稀释效应研究。氢和积累的过程的瞬态行为的部分开放空间进行了讨论。

1。介绍

氢气被认为是一个可能的替代化石燃料,,除了高污染,却在快速消耗。然而,必须克服一些障碍如果使用氢作为主流的能源安全存储就是其中之一。因为瑞利数高氢模拟的计算复杂性,传统数值方法遭受低收敛速度和稳定性差和鲁棒性。因为这些问题的非线性、决定需要迭代方法(1,2]。这些方法占用太多的内存和计算时间,他们难以应用于大规模的模拟。基于材料的近似导数沿着流体粒子的轨迹,特性曲线的方法是模拟自然物理现象,它证明是无条件稳定广泛的一类问题(3- - - - - -7]。作为一个典型的多组分的分散行为流,一个方法来模拟氢扩散行为有效地讨论了这项工作。

安全是公认的最重要的问题之一在促进氢使用。氢是无臭、无色、无味的,所以大多数人感觉不会帮助检测泄漏。它是没有比其他易燃燃料或多或少的危险,包括汽油和天然气。氢气是易燃的,可以表现在特定条件下危险。伴随更广泛使用的氢是不断增加的可能性意外释放的氢基础设施包括存储、散装运输和销售,生产,和利用。然而,氢可以安全地处理当用户有一个简单的指导方针是观察和对其行为的理解。特别是,研究氢泄漏重要的是防止意外点火和泄漏的安全裕度。因此,为了确保安全使用的氢气需要预测和理解其泄漏和分散的特点。在过去的几十年里,许多研究已经完成评估的泄漏流量(8),在居民区分散行为(9,氢的通风系统设计色散(10,11]。井上等人报告通风模型的实验数据12];Kanayama等人报告数值模拟的有限元方法(13,14];然而,计算结果包含明显的振荡和浓度的最大值是在进口浓度更高的价值,这与实验数据和防止它更好的模拟。

目前的研究是提高氢扩散模拟的并行特性曲线方法的无条件稳定,探讨模拟氢扩散行为通过这样做。预计稳定数值结果和有一个更好的观点再循环区通过使用并行特性曲线的方法。处理问题引起的非线性对流的流动问题,这导致刚度矩阵的不对称性,并行特性曲线方法域分解方法用于这项工作。比传统方式是采用一些决定方法的迭代解算器(14),矩阵的对称性使多达3000万计算问题自由度(景深)可以解决15]。为了验证氢的扩散行为的可解性,目前的计算结果与实验结果比较报告的井上et al。12]。氢的瞬态色散行为和一些安全指南在通风模型讨论了这项工作。

剩下的部分安排如下。部分2简要描述了公式和并行特性曲线的方法。部分3描述了物理模型,初始和边界设置,材料属性。中存在数值结果和讨论部分4;最后,部分5给本研究结论,指出了未来研究的方向扩散氢的行为。

2。配方

2.1。控制方程

让 是一个三维的多面域的边界 。 是一阶的水列夫空间和 的子空间 功能与零均值。在流场是不可压缩假设下,粘性,层流,模型的求解可以概括为发现 这样,对于任何 ,下列方程组: 在哪里 速度(米/秒), 压力(N / m2), 密度(const。)[公斤/米3), 是重力(m / s2), 膨胀系数浓度[-], 质量浓度(质量%), 是应力张量(N / m2)定义为 克罗内克符号的 和粘度 (公斤/女士)。

一个初始速度 应用于 在 。狄利克雷边界条件 和诺伊曼边界条件 也应用在哪里 外法线方向吗 。

泄漏扩散氢的控制方程 这样 在哪里 是扩散系数(m2/秒), 是源项(K / s)。一个初始浓度 应用于 在 。狄利克雷和诺伊曼边界条件设定的 分别在哪里 是外法线衍生物 。

2.2。一个平行的特性曲线的方法

特性曲线的方法应用于非线性项在并行的方式(1)和(5),如下所示。

让 时间增量 总步数,因此 代表时间步 。让 粒子的当前位置,它的位置 可以近似 在哪里 流体速度的位置吗 在 和 表示一阶近似;参见[16];因此,物质导数(1)和(5) 可以写成 在(1)和(5), 是 和 ,分别。

采用双向耦合方案在本研究一些解决过程(1)和(5),可以看到在图1。


图1
耦合方案。

应该注意的是,元素信息项 可能会造成一些困难解决的控制方程(1)和(5),特别是在这项工作的所有元素分布在不同的信息处理器元素(PEs)和并行搜索完成。幸运的是,同样的 用于两个方程;因此,搜索结果可以共享他们在一个非平稳的步骤;参见图1。

元素搜索算法需要globalwise元素信息来确定一个粒子的位置在前面的时间步。然而,在这项工作中使用的并行系统,整个域被分为若干个部分,一个处理器元素(PE)只在当前工作部分它不包含任何元素的其他信息部分。每一个部分进一步划分成许多吗子域域分解是由PE负责执行的部分。这种平行性导致计算困难:对于每个时间步,粒子并不局限在一个部分;参见图2;因此,不同的PEs之间交换的数据是必要的,要求沟通的PEs subdomainwise计算。


图2
搜索部分。

在一个总数量的元素子域名可能是不同的,这意味着一些点到点通信技术,如MPI_Send / MPI_Recv或MPICH MPI_Sendrecv,不能用于elementwise计算。在先前的研究17),一个全局变量来存储所有的旧的解决方案。这种方法保持高速度计算,但成本巨大的内存使用。减少内存消耗,一个请求-响应系统中使用(18]。在这部作品中,早些时候开始请求-响应系统进一步优化的每个循环;因此,更少的时间花在PEs之间的沟通。

3所示。建模

3.1。几何形状和参数

氢有快速扩散系数;它迅速稀释成浓度不易燃烧的时候释放。因此,成为火灾隐患,氢首先必须限制,但随着宇宙中最轻的元素,将氢是非常困难的。行业结构设计时考虑了这些属性,将使用氢。设计帮助氢逃避,远离用户意外释放。

通风模型和部分开放空间考虑这项工作图所示3几位研究人员所使用的,10,12,13)评估的风险事故引起的氢泄漏。氢从入口进入底部附近的一端模型;通风是通过附近屋顶通风和排气门另一端。4个传感器被放置在模型;他们的位置被定义为表嵌入图3。


图3
通风模式。

在氢扩散,浓度的差异的一个主要驱动力量流运动,使用哪个给我们的基本思想布辛涅斯克近似的模拟热对流问题。根据理想气体状态方程,浓度膨胀系数 保持常数氢扩散(13]。这一发现使得它非常方便我们应用当前的解决这个问题。使用一节中定义的符号2。1,这项工作中所使用的材料特性表1。

表1
材料属性。

3.2。初始和边界条件

与实验报告相一致(12)、氢泄漏到入口0.02 (m / s)的速度在垂直方向,质量浓度为6.94%(考虑到空气和氢气的密度)的区别。在屋顶,氢是出院外。在门口,空气应该在适当的压力差异的内部和外部的门。所有其他边界视为侧壁。

让 , , 表示入口的边界,屋顶和门,分别;狄利克雷边界条件设置如下:

自然通风是强加在屋顶和门。诺伊曼边界条件设置如下:

初始速度和浓度设置如下:

可以看出,瑞利数的研究 它被认为是振荡的主要原因(13,14]。

4所示。数值结果

为了验证当前方案的可解性氢扩散行为,比较与实验数据报告(12)和总计算时间设置为1500年代。为了避免固定的判断的影响,则设置为固定的阶段 和控制的一个元素 规范,比较19]。每个时间步的收敛性判断是由欧几里得范数(20.),和标准是 。

ADVENTURE_CAD和ADVENTURE_Metis [21用于创建几何和网格,和周围的局部网格密度传感器在图3增加有一个更好的模拟。作为这项研究的初步尝试,非结构化网格与1124294个元素为这项工作,创建如图4。


图4
啮合。

这项工作比较的计算结果与实验结果报告(12]。图5比较了计算氢体积浓度值最接近的四个传感器节点位置与实验值在[12]。氢离子的浓度测量的体积浓度,其中0%表明整个体积占100%的空气和代表相反的。


图5
数值和实验结果的比较。

可以看出图5当前的数值结果与实验数据一致,特别是传感器2和传感器3,这是位于顶部的通风模型;参见图3。传感器1和传感器4的计算结果也更接近实验数据和实验数据的趋势符合很好。在进口和门,流场是复杂的和振荡也在传感器1和传感器4。相比之下,数值结果在13,14),目前的计算结果更稳定和更接近实验数据,从而更加可靠。

氢有可燃性范围宽(在空气中4 - 74%)和点燃氢气所需的最低能量很低(0.02 mJ, 10%的所需的最小能量点燃汽油蒸气);因此,氢的泄漏在一个狭小的空间里介绍了意外点火的可能性,,在最坏的情况下,可能会导致爆炸。这样的安全问题需要特殊的设备如果广泛的物理实验是进行安全、频繁,进一步证明计算模拟的使用。在图6体积浓度为4%的等值面显示,提出的边界内的可燃性部分开放空间。

(一)
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(b)
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(c)
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(d)
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(e)
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(f)
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图6
体积浓度为4%的等值面。

氢气泄漏以恒定速度常数浓度在进口,所显示的是(12)。从图可以看出64%的体积浓度等值面越来越低,降低通风模型的底部;然而,在500年代,4%的体积浓度等值面不得降低明显,等值面保存直到最后的高度的计算。因此,统治低于4%的体积浓度等值面是相对安全的。这一发现可能有助于以防如果出现氢气泄漏;周围地区的事故可分为安全,和指导可以以不同的方式来避免所谓的“二次事故”。

速度概要图7。通过这些数据,几个角色内的氢泄漏部分开放空间可以观察到如下。(1)氢气流垂直,然后扩散到到达上限后上部屋顶通风;因此,传感器在天花板附近保持高度的氢离子浓度;传感器的分类 降序排列的集中值。(2)空气从排气门,走进模型由于压力场的变化;也就是说,氢离子浓度接近地平线的门的发泄在分散保持低水平,如图6。(3)氢离子浓度的分布不会改变很多500年代之后;在某种意义上,一个静止状态。(4)进口和门周围的流场非常复杂,由于流入的空气,随着移动空气是一种驱动力,不容忽视。流线在50年代被显示在图8证明通风的流型模型。

(一)
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(b)
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(c)
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(d)
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(e)
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(f)
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图7
速度向量。

图8
流线。

我们可以看到在图8,进口和周围的流场门也受到空气的影响。这些区域附近的大变形表明一些湍流出现在计算,这是与振荡在图一致5。

计算模型包含187382个节点和网格大小约为0.03。分析了平行的方案中所描述的部分2。2。景深是936910。Linux PC集群在九州大学20个人电脑主要是用来进行计算。对于每一个PC硬件的配置如下:CPU:英特尔(R)核心i7 (TM)(电子邮件保护),记忆:12 (GB)。

由于无条件稳定的并行特性曲线的方法, 被设置为0.1秒。计算这个小电脑集群上花了10个小时。

5。结论

氢扩散的通风模型数值模拟的并行特性曲线法在三维空间的一个域分解系统工作。的主要结论可以概括如下。(1)通过使用并行特性曲线的方法,结果更加稳定,是由决定解决了传统的计算结果;当前的结果更接近实验数据更可靠;目前的计算结果和实验数据的比较让我们当前方案的可解性的氢扩散问题。(2)门中扮演一个重要的角色在防止氢的累积在底部的通风模式。空气走进模型和稀释效应出现。(3)湍流出现在进口和门,和再循环区被发现在模型;(4)500年代后达到静止状态;

正如上面提到的,调查的影响力量由空气更准确地说,可能需要一些稳定技术和细孔网,这将对我们未来的工作。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突的出版。

确认

这项工作是由美国国家科学基金会支持的中国(国家自然科学基金委)拨款11202248,91230114,11072272。中国博士后科学基金会拨款2012 m521646,广东省国家科学基金会授予S2012040007687。