[论文解读] CRANE: A MOOSE-based Open Source Tool for Plasma Chemistry Applications

Shane Keniley, Davide Curreli|arXiv (Cornell University)|May 24, 2019

Plasma Diagnostics and Applications参考文献 14被引用 4

一句话总结

CRANE 是一个基于 MOOSE 的开源有限元工具，通过物种密度和反应网络的耦合常微分方程组模拟等离子体化学。它支持独立的 0D 建模，并可无缝集成到多维等离子体模拟中（例如与 Zapdos 集成），展示了在复杂、多尺度等离子体-化学问题中精确的耦合性能和可扩展性，全面支持外部求解器（如 Bolsig+）。

ABSTRACT

Numerical simulation of plasma discharges is often performed by models developed in-house and coupling externally and separately written codes. The MOOSE (Multiphysics Object Oriented Simulation Environment) framework provides tools for quickly developing and coupling together software in a scalable framework, making it well-suited for plasma simulations. A new MOOSE application, CRANE (Chemical ReAction NEtwork), was developed in order to add an independent chemical kinetics application to the framework. In this work the capabilities of CRANE are detailed, including its use as a standalone solver for global plasma chemistry models. The capability of fully coupling applications in the MOOSE framework is also shown by compiling CRANE directly into the MOOSE-based plasma transport software Zapdos, showing the possibility to solve fully coupled drift-diffusion-reaction plasma chemistry problems. The code is open-source and available at the following url, https://github.com/lcpp-org/crane.

研究动机与目标

• 开发一个灵活的开源等离子体化学求解器，原生集成于 MOOSE 有限元框架中，用于可扩展的多物理场等离子体模拟。
• 实现在低温等离子体中对大规模、非线性、非平衡反应网络的精确且可扩展的建模，且无需 C++ 编码。
• 通过将等离子体化学（CRANE）与输运（Zapdos）直接编译为单个 MOOSE 应用程序，实现两者的无缝耦合。
• 支持通过外部物理求解器（如 Bolsig+）实现动态集成，用于电子碰撞截面计算。
• 为未来在各种应用中开发耦合的等离子体-化学-输运模型提供模块化、可扩展的平台。

提出的方法

• CRANE 使用 MOOSE 的 Actions 系统从人类可读的输入文件中解析用户定义的反应网络，自动构建物种浓度的常微分方程组。
• 采用隐式时间积分（隐式欧拉法）和相对容差为 1e-4 的牛顿-Krylov 非线性求解器，求解物种浓度的耦合常微分方程组。
• 通过基元双分子和三分子反应建模反应速率，速率系数来源于阿累尼乌斯或其它动力学模型。
• 通过能量平衡模型描述气体温度演化，使用绝热恒容近似方法考虑每项反应中的焓变。
• CRANE 通过 MOOSE 的 MultiApp 系统支持外部耦合，可编译进其他 MOOSE 应用程序（如 Zapdos）中，实现完全耦合的漂移-扩散-反应模拟。
• 它利用 MOOSE 的网格和线性代数基础设施，仅通过输入文件即可原生支持 1D–3D、并行和可扩展模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 CRANE 是否能在完全可扩展、开源的框架中准确模拟复杂的大规模等离子体化学网络？
• RQ2 CRANE 与输运求解器（如 Zapdos）的耦合效率如何，能否实现完全耦合的等离子体-化学模拟？
• RQ3 与编译后的 Fortran 求解器（如 ZDPlasKin）相比，运行时解析反应网络的计算开销有多大？
• RQ4 在真实等离子体系统中，随着物种和反应数量的增加，CRANE 的性能如何扩展？
• RQ5 CRANE 在多大程度上支持动态集成外部物理代码（如 Bolsig+）以处理电子碰撞过程？

主要发现

• CRANE 在 1D 情况下成功模拟了包含 13 个反应的全局氩等离子体模型，单核运行时间 12 秒，达到稳态仅需 53 μs（在 2015 年款 MacBook Pro 上）。
• 模拟结果与参考求解器在物种浓度演化方面表现出良好一致性，包括激发态氩的强阴极峰行为以及电极附近电子的耗尽现象。
• 基准测试显示，由于运行时解析和缺乏编译代码及缓存机制，CRANE 的运行时间慢于 ZDPlasKin（例如，8 个物种、13 个反应时分别为 66.27 秒 vs. 32.27 秒）。
• 当考虑外部求解器的开销后，性能差距显著缩小：CRANE 的动态 Bolsig+ 调用相比 ZDPlasKin 的预编译库，引入了显著的延迟。
• 通过将 Zapdos 作为子模块编译，CRANE 实现了与 Zapdos 的完全集成，使单个可执行程序能够求解 1D 中包含 13 个反应的耦合漂移-扩散-反应方程。
• 通过 MOOSE 内部的网格和线性代数管理机制，验证了该框架在多维和并行执行中的可扩展性，仅需修改 Makefile 和两行 C++ 代码，无需其他代码更改。