GPUスーパーコンピュータを用いた沸騰多相流挙動解析

使用GPU超级计算机进行沸腾多相流行为分析

基本信息

批准号：
21K11911
负责人：
杉原健太
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Japan Atomic Energy Agency
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21K11911/
关键词：
気液二相流 Phase Field GPU 多相流解析沸騰 Phase field

项目摘要

2022年度は、GPU型大型計算機を利用した沸騰気泡流れの熱流動解析に向けて、前年度に開発した界面捕獲型の気液二相流解析コードの界面モデルの高度化を実施し、バンドル体系の気泡流解析を実施した。界面モデルとして採用したPhase Field法には過剰な界面修正によって計算格子に沿った界面形状に変形してしまう場合があることが判明したため、従来のConservative Allen-Cahn(CAC)方程式を改良したModified conservative Allen-Cahn(MCAC)を開発し、界面近傍の局所的な速度場および速度勾配から必要最小限の界面補正強度を与えることを可能とした。単一気泡上昇問題や液滴振動問題などのテストを実施し、MCACは計算格子に沿った界面変形を防げるだけでなくCACと同等以上の計算精度があることが明らかになった。MCACを用いて5x5バンドル体系の気液二相流解析を実施し、実験結果との比較を行なった結果、数値解析ではボイド率を過大評価してしまう事が判明した。その原因は、界面捕獲法では２つの界面が３格子程度まで接近すると非物理的に合体してしまい、ボイド率が過大評価されてしまう点にある。界面捕獲法で気泡同士の反発を表現するためには界面間の薄膜を解像する必要があり、気泡直径に対して1600格子以上の超高解像度計算が必要になるとの報告があるが、バンドル体系のような実規模の解析では不可能である。そこで、多数の気泡計算において、個々の気泡に対し独立した相を計算するMulti-Phase Field法を用いることにより従来の1/50の解像度で気泡の接近と反発現象を再現可能であることが明らかになった。本研究は界面追跡法を用いた気液二相流計算の解析技術の高度化だけでなく、原子力工学や様々な産業分野の基盤技術確立に繋がる。

在2022财年中，为了使用大型GPU型计算机分析沸腾气泡流的热流，我们已经为界面捕获型气体 - 液体两相流量流量分析代码实施了复杂的接口模型，并进行了Bundle系统的气泡流量分析。 It was discovered that the Phase Field method used as an interface model can sometimes be deformed into an interface shape along the computational lattice due to excessive interface correction, so we developed a Modified Conservative Allen-Cahn (MCAC) equation, which is an improved version of the conventional Conservative Allen-Cahn (CAC) equation, and made it possible to provide the minimum required interface correction strength from the local velocity field and velocity gradient near the 界面。已经进行了诸如单一气泡升高问题和液滴振动问题之类的测试，并且已经显示MCAC不仅可以防止沿计算晶格的界面变形，而且具有等于或大于CAC的计算精度。使用MCAC进行了5x5束系统的气体液体两相流量分析，与实验结果进行了比较表明，数值分析中的空隙速率被高估了。这样做的原因是，在接口捕获方法中，当两个接口接近大约三个晶格时，空隙比被高估了。据报道，要使用界面捕获方法表达气泡之间的排斥，必须解决界面之间的薄膜，并且需要对气泡直径进行1600个晶格的超高分辨率计算，但是对于诸如捆绑系统（Bundle Systems）等实际规模分析，这是不可能的。因此，在许多气泡计算中，已经揭示了可以使用多相气泡计算的1/50分辨率来复制气泡的方法和排斥现象，该方法可以使用多相磁场方法来计算每个气泡的独立阶段。这项研究不仅可以使用接口跟踪方法来改善气体液态两相流量计算的分析技术，而且还导致建立了核工程和各种工业领域的基本技术。