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。

2022财年，我们将改进前一年开发的界面捕获气液两相流分析代码的界面模型，并开发使用大型GPU计算机对沸腾气泡流进行热水力分析的捆绑系统。进行气泡流分析。我们发现，作为界面模型采用的相场方法有时会由于过度的界面修改而使界面形状变形以遵循计算网格，因此我们开发了 Allen-Cahn (MCAC)，并可以提供所需的最小界面校正强度。界面附近的局部速度场和速度梯度。对单个气泡上升问题、液滴振动问题等问题进行了测试，结果表明MCAC不仅可以防止沿计算网格的界面变形，而且具有等于或高于CAC的计算精度。使用 MCAC 对 5x5 管束系统进行气液两相流分析，与实验结果的比较表明数值分析高估了空隙率。其原因是，在界面捕获方法中，当两个界面接近大约三个晶格点时，它们会非物理地合并，导致对空隙率的高估。为了利用界面捕获法表达气泡之间的排斥力，需要解析界面之间的薄膜，有报道称气泡直径需要1600格以上的超高分辨率计算。这在系统等实际规模的分析中是不可能的。因此，在计算大量气泡时，很明显，通过使用计算每个气泡独立相位的多相场方法，可以以 1/50 的分辨率再现气泡的接近和排斥现象。就变成了常规方法。这项研究不仅将推动利用界面追踪法进行气液两相流计算的分析技术的进步，而且将有助于建立核工程和各个工业领域的基础技术。