[論文レビュー] Benchmarking of a preliminary MFiX-Exa code

William D. Fullmer, Ann Almgren+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2019

Granular flow and fluidized beds参考文献 45被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、エクサスケールコンputingを目的としたAMReXフレームワークを用いたMFiX-DEMコードの再構築版であるMFiX-Exaコードの初期版ベンチマークを実施している。4つの実験的流動化床ケース（3つのバブル/スルージング床と1つのスプート・フロイド床）に対してコードを検証した結果、古典的なMFiX-DEMシミュレーションと強く一致し、実験データに対しても妥当な一致を示した。わずかな不一致は数値アーティファクトおよび簡素化された衝突モデルに起因するとされた。

ABSTRACT

MFiX-Exa is a new code being actively developed at Lawrence Berkeley National Laboratory and the National Energy Technology Laboratory as part of the U.S. Department of Energy's Exascale Computing Project. The starting point for the MFiX-Exa code development was the extraction of basic computational fluid dynamic (CFD) and discrete element method (DEM) capabilities from the existing MFiX-DEM code which was refactored into an AMReX code architecture, herein referred to as the preliminary MFiX-Exa code. Although drastic changes to the codebase will be required to produce an exascale capable application, benchmarking of the originating code helps to establish a valid start point for future development. In this work, four benchmark cases are considered, each corresponding to experimental data sets with history of CFD-DEM validation. We find that the preliminary MFiX-Exa code compares favorably with classic MFiX-DEM simulation predictions for three slugging/bubbling fluidized beds and one spout-fluid bed. Comparison to experimental data is also acceptable (within accuracy expected from previous CFD-DEM benchmarking and validation exercises) which is comprised of several measurement techniques including particle tracking velocimetry, positron emission particle tracking and magnetic resonance imaging. The work concludes with an overview of planned developmental work and potential benchmark cases to validate new MFiX-Exa capabilities.

研究の動機と目的

• 初期版MFiX-Exaコードを将来のエクサスケール対応CFD-DEMシミュレーションの信頼できる出発点として検証すること。
• 再構築されたコードの精度を、既存のMFiX-DEMシミュレーションおよび実験データに対して評価すること。
• 初期実装における数値アーティファクトやモデルの制限を特定し、将来のエクサスケール開発に影響を及える可能性を評価すること。
• MFiX-Exaの継続的および将来の改良のためのベンチマークフレームワークを確立すること。
• 米国エネルギー省エクサスケールコンピューティングプロジェクトを支援し、産業スケールの多相流シミュレーションの基盤となるコードベースの有効性を検証すること。

提案手法

• エクサスケールコンピューティングを可能にするために、ブロック構造のアダプティブメッシュリファインメントと並列スケーラビリティを実現するAMReXフレームワークに、既存のMFiX-DEMコードを再構築した。
• 粒子-ガス相互作用のためのソフトスフィアDEMアプローチと、界面運動量移動を伴うCFD-DEMカップリングを維持した。
• 空間的および時間的離散化に一次精度の数値スキームを実装し、一次風上差分法およびMUSCL補間を含んだ。
• 粒子相モデリングに、陰解法のGARG_2012カーネルと陽解法のSQUARE_DPVM移行カーネルを用いた。
• 計算効率を向上させるために、LSD衝突モデルに簡素化された接線方向力モデルを導入した。
• Goldschmidt、Müller、Link、SSCP-Iの流動化床の4つのベンチマークケースを用い、実験データを基準に検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期版MFiX-Exaコードは、流動化床の動的挙動を予測する際に、古典的なMFiX-DEMシミュレーションとどの程度一致するか？
• RQ2 初期版MFiX-Exaコードは、確立された流動化床実験からの実験データをどの程度再現できるか？
• RQ3 初期コードで顕在化する数値アーティファクトや不一致は何か。それらの主な原因は何か？
• RQ4 再構築されたコードは、将来のエクサスケール対応CFD-DEM開発の有効な基盤として機能できるか？
• RQ5 特に低速度スルージングおよびジェット領域の動的挙動において、特定された不一致を是正するにはどのような改善が必要か？

主な発見

• 初期版MFiX-Exaコードは、4つのベンチマークケースすべてにおいて、古典的なMFiX-DEMシミュレーションと強く一致しており、再構築および数値的一致性が成功したことを示している。
• Goldschmidt床（$U_{in} = 1.25U_{mf}$）において、ほぼ周期的なスルージングパターンのため、床高さの揺動を約2倍に過剰に予測している。これは一次精度の数値スキームおよび薄い床の幾何形状に起因すると考えられる。
• Linkのスプート・フロイド床では、LSD衝突アルゴリズムにおける簡素化された接線方向力モデルが、下部ジェット領域で不一致を生じさせている。これは精度を犠牲にして計算効率を高めた結果である。
• 全体として、予測結果は過去のCFD-DEMベンチマークで想定される精度範囲内にあり、PTV、PET、MRI測定による実験データとも良好に一致している。
• コードベースは、将来のエクサスケール開発の有効な出発点と見なされる。現在進行中の改善には、低マッハ数プロジェクション法と、複雑な幾何形状への埋め込み境界処理が含まれる。
• 今後の検証では、非直交幾何形状、整数分散材料、複雑な粒子パターン、および秩序ある構造を含む分野への拡張が予定されており、コードの産業的応用範囲を広げることを目的としている。