模拟的超音速流使用JPVM喷射器扩压器

文摘

喷射器通常用于提取气体在石油工业,是不可能使用电动炸弹爆炸的风险,因为由于气体易燃。蒸汽喷射器是重要的在创建和真空系统。这项工作的目标是开发一个面向对象的并行数值代码来调查的不稳定行为超音速流喷射扩散器有一个有效的计算工具,允许建模不同扩散器的设计。第一步是建设一个合适的解决方案空间的转换来生成一个计算正则空间应用显式方案。第二步,由在发展中数值代码与面向对象的并行方法。最后,关于通量的结果是令人满意的和物理传感器相比,和使用的并行模式不仅减少了计算时间,而且显示了更好的可维护性、可重用性和可扩展性的代码的准确性。

1。介绍

蒸汽喷射推出器提供一个简单、可靠、低成本的方法来产生真空。他们是特别有效的化学工业现场的高压动力供应气体。喷射器操作由高压气体,进入蒸汽室动机在低速度和通过缩扩喷管膨胀。这些结果显示减少压力和速度的增加。与此同时,在吸入口流体进入。动机液体,目前以很高的速度,进入并结合吸液(1,2]。

喷射器操作被归类为关键或非关键流量模式;在关键的模式;传入的超音速流;其他相关实验工作,也与CFD在[3,4]。本文调查的行为超音速流马赫数为2.0的价值在扩散器。喷射的形式扩散不是矩形;因此,有必要将物理平面的计算平面网格是长方形的。

实现使用JPVM运行程序完成一组计算机系统互相连接的一个或多个网络作为一个单一的逻辑计算资源以减少计算时间。图1显示了喷射部分常用的石油工业。喷射器的行动没有移动部件和操作高压输入流像空气和其他气体压力较低的流移动,从而消除他们从流程系统中间压力。

2。的控制方程

我们考虑非线性二维可压缩n - s方程的守恒形式

在哪里 ,列向量定义为,

热量理想气体,它可能是,消除能源赞成,,,如下:。清晰的计算,向量的元素可以表示为

列向量的元素是用

此外,列向量的元素是用

粘性应力条件写的速度梯度

同样,热通量向量的分量(从傅里叶热定律)被定义为

属性的变化动态粘度和导热系数被认为是与温度有关的,萨瑟兰定律计算

3所示。数值方案

一个预估方案(2.1)制定如下。

预测:

在人工粘度是由

在哪里和两个参数;的典型值和范围从来对于这个应用程序,==。

校正:

4所示。验证数字代码

前管理喷射器的更复杂的几何形状,可以测试代码与一个简单的用例与解析解与数值解的结果进行比较。此案是一个扩张角,勾勒出图2;这个问题的一个精确的解析解存在为了获得一个合理的对数值模拟结果的准确性喷射形状;在这种情况下(2.1)向量和粘性应力条件抑制(5]。

有必要建立一些特定的细节问题需要解决。物理平面上绘制在图3被认为是。流在2.0马赫的上游边界压力,温度和密度,等于N /1.23公斤/和286 K。超音速流了一个角度;这种选择的原因是有解析解。如图3,将计算域来从墙上来在。

扩张角的位置是在10,这个几何;的变化是由

我们可以构建一个适当的转换如下(图4):让表示当地的高度从低到物质层上边界,清楚。表示固体表面的位置(物理平面的下边界),在那里。

我们定义转换

这一转变,在计算平面从0到不同和从0.0到1.0不等;在物质层上对应于表面,对应的上边界。的等值线和形成一个矩形网格在计算平面(图4)。的等值线和也勾勒出在物理平面上;它们形成一个矩形网格上游下游的发散角和一个网络线路的角落。

流的偏微分方程数值求解矩形空间,因此必须适当地改变了在计算平面使用。即控制方程必须转换成条款处理和。导数变换是由以下方程:

指标,,,,(4.3),得到的转换(4.2),也就是说,和:

如果然后

如果,然后和;如果 和终于可以表示为,所以指标 :

扩张角和喷射器的网格自动生成,避免使用节能灯标准数值稳定性问题的值是由

在哪里和。

网格如图5。喷射网格的大小离散点。

在马赫数的结果,压力和密度的扩张角问题所示结果。马赫数的解析解的扩张角可以与普朗特迈耶获得函数(4.8):

扩张角的解析解图所示6。

扩张的前沿风扇使一个角度对上游流方向,波的后缘使一个角度对下游的流动方向。盎格鲁和马赫的角度,定义为和。

扩张角的数值解是描绘在图7。

数值解与分析的误差小于1%的点和扩张马赫风扇形成于数值解。

5。物理喷射器扩压器的变换

适当的转换来生成一个boundary-fitted喷射器扩压器的坐标系统定义如下:

在哪里和被定义为

指标(4.3),(5.1)和(5.2)计算如下:,,,(5.2),,所以。度规可以区分和:

因此

在数据8和9被描述的分布指标和,分别。喷射网格的大小生成离散点,使用节能灯环行公路赛。

出口的边界条件是纽曼和墙上的中性条件下应用。初始化通量场压力,温度和密度,等于N /1.23公斤/分别,和286 K;初始化速度场m / s。在上游边界速度2.0马赫(米/秒,m / s)注入。仿真执行步骤,5000000次的使用节能灯标准(参见图计算10)。

5.1。粘性应力条件

当然有必要使用指标转换为粘性应力条件。一旦应用指标增加如下条款:

热通量向量转换

对于这个应用程序的值 ,使用

6。并行计算方案

JPVM (Java并行虚拟机)库是一个软件系统为显式消息passing-based分布式内存多指令多数据并行编程在Java中。图书馆支持一个接口类似于C和FORTRAN并行虚拟机(PVM)提供的接口系统,但在语法和语义增强提供Java和更好的匹配Java编程风格。JPVM之间的相似性和广泛使用PVM系统支持经验丰富的PVM程序员快速学习曲线,从而使JPVM系统访问,为多家并行应用程序迁移到Java平台的目标。同时,JPVM提供小说特性中没有标准PVM线程安全等多个通讯终端每个任务,缺省情况下直接消息路由。JPVM是完全在Java中实现,因此具有高度的可移植性在平台支持某些版本的Java虚拟机。此功能打开的可能性,利用资源通常被排除在网络并行计算系统,如Mac, Windows和linux系统(6,7]。

使用的方法是二阶显式有限差分技术在空间和时间准确的人工粘度。

在预测步骤编写控制方程的差异(预测),后来写在落后的差异(校正器)。方案后,我们将计算划分为任务可以执行解决方案的一部分空间只在轴;如果我们有离散点划分空间,然后计算可以执行任务,每个任务运行的点的数量;如果划分不准确,那么剩下的点的数量将会分配给的任务。例如,如果我们有40分,我们要把它分成6个任务,然后将会有4个任务,负责在7分和6分两个任务。如果想放入4计算任务,每个任务将在10点工作。

如果和,然后迭代器每个任务将在以下几点工作:,,,。

图11显示了四个任务的设置在同一解决方案空间,工作任务指示的箭头出现的消息,和每个任务的提前箭头指示的方向计算。

主要问题在传统的并行算法的有限的差异问题,密集的消息传递,获得一个分布式内存系统中表现不佳,延迟时间更高。假设我们想推进300离散点在轴上我们有4个任务;所以在每次迭代需要发送6消息;因此,将消息包含一个值,这就是变量的情况。此外,我们也为其他通量变量创建3个任务,给的消息。

减少消息的数量需要增加任务粒度、通量变量分配一个任务。图12描述四个任务在自己的工作流量变量。

创建四个通量的每一项任务,,,,任务进行必要的计算获得的新价值在。如下列出的过程。

计算远期预测步骤的差异。 计算人工粘度的预测步骤。 计算的预测价值。 计算校正步的向后方的差异,使用的预测价值。 计算人工粘度校正步骤。 计算平均的导数。 计算流量变量的值在。

另外四个任务(奴隶任务),我们需要主任务控制奴隶的执行任务,实现以下的计算。

计算在获得流量变量的预测值。 应用边界条件。 调整流量变量在边界。

前过程表明,每个任务必须执行的工作集合点符合二维的网格。每一个任务计算通量变量的新值吗在本地化 。

我们遵循类似的推理如果我们想增加任务的粒度。

图13描述工作的四个任务的设置在自己的流场,在这种情况下,每一次的任务 进行计算发现每个网格点的新值的变量的时间,,,。

这种模式的并行性的优点是,我们可以快速粗和细粒度之间的杂交过程,容易和并行任务创建递归。

7所示。仿真结果

在本节中,我们显示的结果模拟扩张角和喷射器。

7.1。扩张角的结果

马赫数的扩张角的结果,温度和密度,如图14和15在稳定状态。

7.2。喷射器的结果

数据16,18,20.,22显示密度的轮廓图和数据17,19,21,23的马赫数,0.2秒后,0.9,1.6,和5.0年代的真实模拟流量是稳定的。

在图24,被描述的马赫数不同部分的扩散;当压缩、传输;和扩张发生,三个数值的头盔是在5英寸,21英寸,在垂直和37英寸,并与实验处理结果当流量是稳定的(1]。

8。性能结果

以获得更好的性能选项的角度,在使用本机编译器来编译JPVM gcj (gnu java编译器),以避免过载的Linux和Windows虚拟机生成本地版本与字节码的版本进行比较。创造和交流是在同一台机器上;缓慢的奔腾4处理器使用因为更容易测量。表1显示了创建时间的1、2、4、8、16个任务。

在表1我们可以看到,创造的时间几乎是相同的两个版本中。

在表2我们可以观察到,没有有意义的区别本机版本和字节码的沟通时间的任务。然而本地版本的优点是节省内存存储。执行时间,gcj可以产生项目速度比字节代码版本30%左右。

集群配置用于执行仿真

(我)14个节点,每个节点有两个处理器2.8 Ghz Xeon DP, 4 GB内存,总共28个内核。

对于这个应用程序应该是串行部分的10%,这部分不能并行解码(当原始变量);因此,马克斯加速16是14.5的任务;表3显示了16的性能指标任务。

9。结论

一个数值并行代码开发模拟超音速流喷射扩散器的并行分布式系统与面向对象的方法。模型验证的情况下有一个确切的解决方案。并行程序的设计允许减少执行时间;然而并行程序的设计和构建复杂由于不确定性执行和科学计算环境构建和调试困难得多,因为它必须管理多个数据,所以需要使用一个很好的方法来减少错误的风险项目建设。

我们已经讨论了面向对象设计的实现使用Java在计算流体动力学模拟。这也提供了更好的可维护性,代码的可重用性和可扩展性。递归地为例子,可以创建新的并行任务容易控制粒度;为此Java是一种严重的语言适用于要求在科学和工程应用和JPVM是一个很好的基于mpi并行集群计算的工具。

最后,这个项目是一个很好的工具来研究喷射扩散通量的行为,显示了如何转换解决方案空间在一个简单的方法。

命名法

:	组件的速度方向(米/秒)
:	组件的速度方向(米/秒)
:	温度(K)
:	压力(N / m3)
:	密度(公斤/米3)
:	能源
:	马赫数
:	在恒压比热容((J / K(公斤)))
:	热容比
公关:	普朗特数
:	热流沿方向(W / m2)
:	理想气体常数((J /(公斤K)))
:	萨瑟兰的常数(K)
:	热扩散率(W / (m K))
:	运动粘度(m2/ s)。

承认

这项研究受到了墨西哥石油协会授予204005人。

引用

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版权

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