[论文解读] 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 7

一句话总结

本文对初步的 MFiX-Exa 代码进行了基准测试，该代码是基于 AMReX 框架重构的 MFiX-DEM 代码，专为百亿亿次计算而设计。它针对四个实验性气固流化床案例进行了验证——三个鼓泡/腾涌床和一个喷动-流化床——结果显示，与经典 MFiX-DEM 模拟结果高度一致，与实验数据的吻合度也可接受，微小差异归因于数值伪影和简化的碰撞模型。

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.

研究动机与目标

• 验证初步 MFiX-Exa 代码作为未来百亿亿次 CFD-DEM 模拟可靠起点的可行性。
• 评估重构代码相对于成熟 MFiX-DEM 模拟和实验数据的准确性。
• 识别初始实现中可能影响未来百亿亿次开发的数值伪影或模型局限性。
• 建立一个用于 MFiX-Exa 未来持续改进和扩展的基准测试框架。
• 通过验证一个基础代码库，支持美国能源部百亿亿次计算计划，服务于工业规模多相流模拟。

提出的方法

• 将现有的 MFiX-DEM 代码重构为 AMReX 框架，以支持结构化块自适应网格加密和并行可扩展性。
• 保留了软球 DEM 方法以及用于颗粒-气体相互作用的界面动量传递 CFD-DEM 耦合方法。
• 实现了空间和时间离散化的的一阶精度数值格式，包括一阶迎风格式和 MUSCL 外推法。
• 采用隐式 GARG_2012 核心和显式 SQUARE_DPVM 传输核用于颗粒相建模。
• 应用 LSD 碰撞模型并简化切向力以提升计算效率。
• 在四个基准案例上进行模拟：Goldschmidt、Müller、Link 和 SSCP-I 气固流化床，利用实验数据进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 初步 MFiX-Exa 代码在预测气固流化床动力学方面与经典 MFiX-DEM 模拟相比表现如何？
• RQ2 初步 MFiX-Exa 代码在多大程度上复现了既有的气固流化床实验数据？
• RQ3 初步代码中出现了哪些数值伪影或偏差？其可能原因是什么？
• RQ4 重构后的代码能否作为未来百亿亿次 CFD-DEM 开发的有效基础？
• RQ5 为解决已识别的偏差，特别是低速腾涌和射流区域动力学方面，需要进行哪些改进？

主要发现

• 初步 MFiX-Exa 代码在所有四个基准案例中与经典 MFiX-DEM 模拟结果高度一致，表明重构成功且数值一致性良好。
• 在 $U_{in} = 1.25U_{mf}$ 条件下的 Goldschmidt 床中，由于接近周期性的腾涌模式，代码将波动床高预测值高估了约两倍，这很可能是由于低阶数值格式和薄床几何结构所致。
• 在 Link 喷动-流化床中，下部射流区域的偏差归因于 LSD 碰撞算法中简化的切向力模型，该模型以牺牲精度为代价提升了效率。
• 总体而言，模拟结果处于以往 CFD-DEM 基准测试的预期精度范围内，与 PTV、PET 和 MRI 测量的实验数据吻合良好。
• 该代码库被认定为未来百亿亿次开发的可靠起点，目前正在进行的改进包括低马赫数投影方法和复杂几何体的嵌入边界处理。
• 未来验证工作将扩展至非矩形几何结构、单分散材料、复杂颗粒构型和有序结构，以扩大代码在工业问题中的适用性。