Instytut Maszyn Cieplnych Politechnika Częstochowska Wykorzystanie klastrów obliczeniowych w CFD

Tematyka prac badawczych Prace badawcze prowadzone przez Instytut Maszyn Cieplnych w głównej mierze dotyczą zagadnień CFD – Computational Fluid Dynamics. Skoncentrowane są one zarówno na analizie zjawisk fizycznych procesów cieplno-przepływowych jak również na optymalizacji i modernizacji urządzeń technicznych – silniki lotnicze, turbiny, komory spalania. Prace badawcze prowadzone przez Instytut Maszyn Cieplnych w głównej mierze dotyczą zagadnień CFD – Computational Fluid Dynamics. Skoncentrowane są one zarówno na analizie zjawisk fizycznych procesów cieplno-przepływowych jak również na optymalizacji i modernizacji urządzeń technicznych – silniki lotnicze, turbiny, komory spalania. Korzyści wynikające ze stosowania metod numerycznej mechaniki płynów w zastosowaniach przemysłowych są dziś bezsporne dla większości gałęzi przemysłu. Maszyny i urządzenie projektowane i optymalizowane przy pomocy numerycznej mechaniki płynów pozwalają na uzyskanie bardzo istotnych oszczędności materiałów i energii. Ponadto czas i koszty niezbędne na przygotowanie nowej konstrukcji uległy znacznej redukcji, bowiem czasochłonne badania eksperymentalne zostały zastąpione w bardzo wielu przypadkach znacznie tańszym i szybszym eksperymentem numerycznym. Korzyści wynikające ze stosowania metod numerycznej mechaniki płynów w zastosowaniach przemysłowych są dziś bezsporne dla większości gałęzi przemysłu. Maszyny i urządzenie projektowane i optymalizowane przy pomocy numerycznej mechaniki płynów pozwalają na uzyskanie bardzo istotnych oszczędności materiałów i energii. Ponadto czas i koszty niezbędne na przygotowanie nowej konstrukcji uległy znacznej redukcji, bowiem czasochłonne badania eksperymentalne zostały zastąpione w bardzo wielu przypadkach znacznie tańszym i szybszym eksperymentem numerycznym. Złożoność i czasochłonność prowadzonych symulacji numerycznych sprawia, iż koniecznym jest prowadzenie badań wykorzystując zaawansowane techniki programowania równoległego oraz wykonywanie obliczeń na wysokiej klasy klastrach obliczeniowych. Złożoność i czasochłonność prowadzonych symulacji numerycznych sprawia, iż koniecznym jest prowadzenie badań wykorzystując zaawansowane techniki programowania równoległego oraz wykonywanie obliczeń na wysokiej klasy klastrach obliczeniowych.

QNET-CFD GT1-CT QNET-CFD GT1-CT A Thematic Network for Quality and Trust in the Industrial Applications of Computational Fluid Dynamics A Thematic Network for Quality and Trust in the Industrial Applications of Computational Fluid Dynamics W projekcie uczestniczy 43 partnerów wywodzących się z ośrodków przemysłowych, akademickich oraz agencji rządowych z wielu krajów europejskich. Głównym celem projektu jest sporządzenie bazy danych szeregu przemysłowych przypadków testowych (Application Challenge) wraz z wynikami zarówno badań eksperymentalnych jak i wyników obliczeń. W projekcie uczestniczy 43 partnerów wywodzących się z ośrodków przemysłowych, akademickich oraz agencji rządowych z wielu krajów europejskich. Głównym celem projektu jest sporządzenie bazy danych szeregu przemysłowych przypadków testowych (Application Challenge) wraz z wynikami zarówno badań eksperymentalnych jak i wyników obliczeń. Instytut Maszyn Cieplnych uczestniczy w tym zaawansowanym projekcie jako jedyny reprezentant Polski. Poza Instytutem Maszyn Cieplnych, Instytut Termomechaniki Czeskiej Akademii Nauk w Pradze jest jedynym reprezentantem krajów Europy Środkowej i Wschodniej. Instytut Maszyn Cieplnych jako przemysłowy przypadek testowy zgłosił palnik gazowy sterowny zewnętrzną strugą przeciwprądową i został zakwalifikowany do grupy tematycznej zatytułowanej Spalanie i Wymiana Ciepła (Combustion & Heat Transfer). Instytut Maszyn Cieplnych uczestniczy w tym zaawansowanym projekcie jako jedyny reprezentant Polski. Poza Instytutem Maszyn Cieplnych, Instytut Termomechaniki Czeskiej Akademii Nauk w Pradze jest jedynym reprezentantem krajów Europy Środkowej i Wschodniej. Instytut Maszyn Cieplnych jako przemysłowy przypadek testowy zgłosił palnik gazowy sterowny zewnętrzną strugą przeciwprądową i został zakwalifikowany do grupy tematycznej zatytułowanej Spalanie i Wymiana Ciepła (Combustion & Heat Transfer). Projekty badawcze IMC (Obliczenia wykonywane w ACCORD)

Grant KBN nr 8 T10B Numeryczna symulacja intensyfikacji procesów turbulentnego transportu i spalania w wybranych typach przepływów metodą symulacji wielkich wirów (LES - Large Eddy Simulation) Grant KBN nr 8 T10B Numeryczna symulacja intensyfikacji procesów turbulentnego transportu i spalania w wybranych typach przepływów metodą symulacji wielkich wirów (LES - Large Eddy Simulation) Projekt badawczy obejmuje zastosowanie metody symulacji wielkich wirów do analizy zjawiska niestabilności absolutnej w dwóch typach przepływu: w strugach kołowych o zmiennej gęstości (np. podgrzana struga powietrza lub struga mieszaniny helowo-powietrznej) oraz w koncentrycznych strugach przeciwprądowych. Zjawisko niestabilności absolutnej stanowi bardzo interesujący problem poznawczy odkryty w ostatnich latach metodami eksperymentalnymi. Zjawisko to polega na rozwoju małego zaburzenia w funkcji czasu i przestrzeni, które powodując powstawanie samowzbudnych, bardzo intensywnych oscylacji parametrów przepływu prowadzi do nowego scenariusza przejścia laminarno-turbulentnego. Powstawanie tego typu oscylacji, bez konieczności dostarczania dodatkowej energii z zewnątrz decyduje również o możliwości zastosowania tego zjawiska w wielu procesach przemysłowych występujących m.in. w napędach rakietowych, w reaktorach chemicznych, ale przede wszystkim zjawisko to może znaleźć zastosowanie w intensyfikacji procesów spalania. Projekt badawczy obejmuje zastosowanie metody symulacji wielkich wirów do analizy zjawiska niestabilności absolutnej w dwóch typach przepływu: w strugach kołowych o zmiennej gęstości (np. podgrzana struga powietrza lub struga mieszaniny helowo-powietrznej) oraz w koncentrycznych strugach przeciwprądowych. Zjawisko niestabilności absolutnej stanowi bardzo interesujący problem poznawczy odkryty w ostatnich latach metodami eksperymentalnymi. Zjawisko to polega na rozwoju małego zaburzenia w funkcji czasu i przestrzeni, które powodując powstawanie samowzbudnych, bardzo intensywnych oscylacji parametrów przepływu prowadzi do nowego scenariusza przejścia laminarno-turbulentnego. Powstawanie tego typu oscylacji, bez konieczności dostarczania dodatkowej energii z zewnątrz decyduje również o możliwości zastosowania tego zjawiska w wielu procesach przemysłowych występujących m.in. w napędach rakietowych, w reaktorach chemicznych, ale przede wszystkim zjawisko to może znaleźć zastosowanie w intensyfikacji procesów spalania.

Projekty badawcze IMC (Obliczenia wykonywane w ACCORD) MOLECULES G4RD-CT (V Program Ramowy EU) MOLECULES G4RD-CT (V Program Ramowy EU) Modelling of Low Emissions Combustors using Large Eddy Simulations Modelling of Low Emissions Combustors using Large Eddy Simulations Celem projektu jest opracowanie narzędzi obliczeniowych (CFD) pozwalających na symulacje przepływów, oraz procesów spalania zachodzących w komorach silników lotniczych. Narzędzia te będą wykorzystywane przez ośrodki przemysłowe uczestniczące w projekcie MOLECULES. Celem projektu jest opracowanie narzędzi obliczeniowych (CFD) pozwalających na symulacje przepływów, oraz procesów spalania zachodzących w komorach silników lotniczych. Narzędzia te będą wykorzystywane przez ośrodki przemysłowe uczestniczące w projekcie MOLECULES. Instytut Maszyn Cieplnych odpowiada za integrację modeli spalania opracowanych przez uczestniczące w projekcie ośrodki badawcze w jeden kod obliczeniowy LES. Zakres zadań Instytutu Maszyn Cieplnych obejmuje również przeprowadzenie testów algorytmów numerycznych zastosowanych w kodzie LES. Integracja modeli spalania w jeden kod LES, jest ważna z punktu widzenia ich późniejszego wykorzystania przez partnerów przemysłowych uczestniczących w projekcie. Instytut Maszyn Cieplnych odpowiada za integrację modeli spalania opracowanych przez uczestniczące w projekcie ośrodki badawcze w jeden kod obliczeniowy LES. Zakres zadań Instytutu Maszyn Cieplnych obejmuje również przeprowadzenie testów algorytmów numerycznych zastosowanych w kodzie LES. Integracja modeli spalania w jeden kod LES, jest ważna z punktu widzenia ich późniejszego wykorzystania przez partnerów przemysłowych uczestniczących w projekcie.

Projekty badawcze IMC (Obliczenia wykonywane w ACCORD) I N T E L L E C T D. M. FP6 – (VI Program Ramowy EU) I N T E L L E C T D. M. FP6 – (VI Program Ramowy EU) Integrated Lean Low Emission Combustor Design Methodology Integrated Lean Low Emission Combustor Design Methodology Intellect łączy wiedzę zdobywaną latami przez europejskie placówki naukowe oraz plany największych europejskich koncernów aeronautycznych. Rezultatem tej współpracy będzie zupełnie nowa koncepcja "europejskiego" silnika odrzutowego o niskiej emisyjności tlenków azotu oraz kompleksowy system projektowania, który pozwoli w szybkim czasie i przy relatywnie niskich kosztach stworzyć produkt odpowiadający potrzebom rynku, a przy okazji system projektowania odznaczający się jasno zdefiniowanymi zasadami i zaawansowanymi automatycznymi procedurami decyzyjnymi - sztuczną inteligencją. Intellect łączy wiedzę zdobywaną latami przez europejskie placówki naukowe oraz plany największych europejskich koncernów aeronautycznych. Rezultatem tej współpracy będzie zupełnie nowa koncepcja "europejskiego" silnika odrzutowego o niskiej emisyjności tlenków azotu oraz kompleksowy system projektowania, który pozwoli w szybkim czasie i przy relatywnie niskich kosztach stworzyć produkt odpowiadający potrzebom rynku, a przy okazji system projektowania odznaczający się jasno zdefiniowanymi zasadami i zaawansowanymi automatycznymi procedurami decyzyjnymi - sztuczną inteligencją. Instytut Maszyn Cieplnych uczestniczy w opracowaniu metodologi projektowania komór spalania o niskiej emisyjności NOx. Niska emisyjność może zostać osiągnięta poprzez zastosowanie numerycznego modelu spalania paliwa przy dużym nadmiarze powietrza obniżając tym samym temperaturę w komorze spalania i nie dopuszczając do powstawania szkodliwych związków azotu. Instytut Maszyn Cieplnych uczestniczy w opracowaniu metodologi projektowania komór spalania o niskiej emisyjności NOx. Niska emisyjność może zostać osiągnięta poprzez zastosowanie numerycznego modelu spalania paliwa przy dużym nadmiarze powietrza obniżając tym samym temperaturę w komorze spalania i nie dopuszczając do powstawania szkodliwych związków azotu.

Przykładowe wyniki obliczeń (Projekt MOLECULES) Palnik gazowy: Płomień Sandia D (metan 25%, powietrze 75 %) Schemat podziału obszaru obliczeniowego (obliczenia równoległe - ACCORD)

Przykładowe wyniki obliczeń (Projekt MOLECULES) Rozwiązanie numeryczne LES: (temperatura: K) (temperatura: K) Porównanie wyników obliczeń z danymi eksperymentalnymi.

Przykładowe wyniki obliczeń (Grant KBN nr 8 T10B ) Weryfikacja algorytmu obliczeniowego: analiza pola wirowości w przepływie w przeciwnych kierunkach Obliczenia prowadzono na 4/8 procesorach (przyspieszenie: 1.8). Realizacja obliczeń w centrum Realizacja obliczeń w centrum uzyskanie rozwiązań w stosun- kowo krótkim czasie (48h), co na etapie tworzenia kodu obliczeniowego jest szczególnie istotne. Stworzony kod obliczeniowy Stworzony kod obliczeniowy umożliwia efektywną realizację obliczeń dla zagadnień z wymianą ciepła w prostych geometriach.

Przykładowe wyniki obliczeń (Grant KBN nr 8 T10B ) Analiza pola przepływu w strudze nieizotermicznej: Aspekty poznawcze badań: poznanie mechanizmów poznanie mechanizmów utraty stabilności w utraty stabilności w strugach kołowych strugach kołowych analiza poprawności analiza poprawności modelu matematycznego modelu matematycznego oraz jego numerycznego oraz jego numerycznego odpowiednika odpowiednika Aspekty praktyczne: możliwość kontroli oraz możliwość kontroli oraz intensyfikacji procesów intensyfikacji procesów mieszania – optymalizacja mieszania – optymalizacja palników gazowych, palników gazowych, redukcja poziomu hałasu redukcja poziomu hałasu (silniki lotnicze) (silniki lotnicze)