[논문 리뷰] Benchmarking of a preliminary MFiX-Exa code

William D. Fullmer, Ann Almgren외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 04.

Granular flow and fluidized beds참고 문헌 45인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 초계량 컴퓨팅을 위한 AMReX 프레임워크를 사용해 재구성한 MFiX-DEM 코드의 초벌 버전인 MFiX-Exa 코드를 벤치마킹한다. 네 가지 실험적 유동화 범람층 사례—세 개의 버블링/슬러깅 범람층과 한 개의 스푸트-유동 범람층—에 대해 코드를 검증하였으며, 고전적인 MFiX-DEM 시뮬레이션과 강한 일치를 보이고 실험 데이터와도 수용 가능한 일치를 보였다. 미세한 불일치는 수치적 아티팩트와 단순화된 충돌 모델에 기인한 것으로 판단된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초계량 가능 CFD-DEM 시뮬레이션을 위한 미래의 기초로 작용할 수 있는 초벌 MFiX-Exa 코드의 신뢰성 검증.
• 기존의 MFiX-DEM 시뮬레이션과 실험 데이터에 대한 재구성된 코드의 정확도 평가.
• 미래의 초계량 개발에 영향을 줄 수 있는 초기 구현에서의 수치적 아티팩트 또는 모델 한계 식별.
• MFiX-Exa의 향후 개선 및 지속적 발전을 위한 벤치마킹 프레임워크 수립.
• 미국 에너지부 초계량 컴퓨팅 사업(US DOE Exascale Computing Project)을 지원하기 위해 산업 규모의 다상류 흐름 시뮬레이션을 위한 기초 코드베이스 검증.

제안 방법

• 기존 MFiX-DEM 코드를 블록 구조적 적응 메쉬 리파인먼트와 병렬 확장성을 지원하는 AMReX 프레임워크로 재구성.
• 입자-기체 상호작용을 위한 소프트-스피어 DEM 방법과 인터페이스 동량 이행 기반의 CFD-DEM 결합 유지.
• 공간 및 시간 이산화에 대해 1차 정확도 수치 스킴 적용, 포함 1차 업윈드 및 MUSCL 외삽.
• 입자상 모델링을 위해 암시적 GARG_2012 커널과 명시적 SQUARE_DPVM 전이 커널 사용.
• 계산 효율성 향상을 위해 접선력 모델을 단순화한 LSD 충돌 모델 구현.
• 실험 데이터 기반 검증을 위해 네 가지 기준 사례—Goldschmidt, Müller, Link, SSCP-I 유동화 범람층—에서 시뮬레이션 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초벌 MFiX-Exa 코드는 유동화 범람층 동역학 예측에서 고전적인 MFiX-DEM 시뮬레이션과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 초벌 MFiX-Exa 코드는 기존의 유동화 범람층 실험에서의 실험 데이터를 어느 정도 재현하는가?
• RQ3 초벌 코드에서 나타나는 수치적 아티팩트 또는 불일치는 무엇이며, 그 주요 원인은 무엇인가?
• RQ4 재구성된 코드는 향후 초계량 가능 CFD-DEM 개발의 타당한 기초로 사용될 수 있는가?
• RQ5 특히 저속도 슬러깅 및 제트 영역 동역학에서 발견된 불일치를 해결하기 위해 어떤 개선이 필요한가?

주요 결과

• 모든 네 가지 기준 사례에서 초벌 MFiX-Exa 코드는 고전적인 MFiX-DEM 시뮬레이션과 강한 일치를 보이며, 성공적인 재구성과 수치 일관성을 확인하였다.
• Goldschmidt 범람층에서 $U_{in} = 1.25U_{mf}$ 조건에서는 거의 정기적인 슬러깅 패tern으로 인해 범람층 높이의 변동성을 약 두 배 정도 과도하게 예측한다. 이는 1차 정확도 수치 스킴과 얇은 범람층 기하구조에 기인한 것으로 판단된다.
• Link 스푸트-유동 범람층의 하단 제트 영역에서의 불일치는 LSD 충돌 알고리즘 내 단순화된 접선력 모델에 기인한 것으로, 정확도를 저하시키며 효율성을 높인다.
• 전반적으로 예측 결과는 이전 CFD-DEM 기준 시험에서 기대되는 정확도 수준 내에 있으며, PTV, PET, MRI 측정 자료와 양호한 일치를 보였다.
• 코드베이스는 향후 초계량 개발을 위한 타당한 기초로 평가되었으며, 저마하 프로젝션 방법과 복잡한 기하구조를 위한 임bedded 경계 처리 기법을 포함한 지속적 개선이 진행 중이다.
• 향후 검증 범위는 직각 외 기하구조, 정수 분산 물질, 복잡한 입자 패턴, 정렬된 구조를 포함하여 산업 문제 적용 범위를 넓힐 예정이다.