3D-codes leveren ongekende fysica, technische inzichten

3D-codes leveren ongekende fysica, technische inzichten

Anonim

door Sandia National Laboratories

Image

Toen de ruimteveer Columbia bij zijn terugkeer in 2002 uit elkaar viel, waren geavanceerde computermodellen cruciaal om te bepalen wat er gebeurde.

Een stuk schuim vloog weg bij de lancering en raakte een tegel, waarbij de voorkant van de shuttle-vleugel werd beschadigd en de onderliggende structuur zichtbaar werd. Temperaturen stegen tot duizenden graden toen Columbia met 27 keer de snelheid van het geluid in de richting van de aarde dook, zei Sandia vloeistofwetenschaps- en engineeringonderzoeker Michael Gallis, die NASA-codes en Icarus gebruikte - een Sandia Direct Simulation Monte Carlo of DSMC-code - voor ongevalsimulaties dat bleek cruciaal voor onderzoekers.

Het onderzoek hielp onderzoekers beseffen dat een meer geavanceerde code nog waardevoller zou zijn in toekomstige onderzoeken op dezelfde hoogte en snelheid en voor bredere toepassingen. Nu hebben Gallis en computational scientist Steve Plimpton een parallelle driedimensionale DSMC-code gemaakt met de naam SPARTA. In juli bracht Sandia het uit als open source, beschikbaar voor iedereen hier. Daarnaast presenteerde Gallis de resultaten van het gebruik van SPARTA tijdens een uitgenodigde keynote lezing in China op de 29e jaarlijkse internationale conferentie over Rarefied Gas Dynamics.

Drie-D-codes zoals SPARTA vertegenwoordigen de fysieke realiteit nauwkeuriger dan 2D-codes zoals Icarus. Betere simulaties betekenen dat ontwerpers veel meer details in nieuwe ruimtevaartuigen of satellieten kunnen verwerken. Er is echter een rekenprijs voor meer realisme. "Een 3D-simulatie is als een serie 2D-modellen, waardoor het soms duizenden keren veeleisender wordt", zegt Gallis.

DSMC-codes simuleren moleculen die van elkaar en objecten af ​​bewegen en stuiteren, net als in echte gasstromen. Onderliggende statistieken bepalen wanneer en hoe moleculaire botsingen plaatsvinden, waardoor voorspellingen van energieoverdracht en chemische reacties mogelijk worden. De DSMC-benadering wordt meestal gebruikt om lage-drukgassen te modelleren. Fysieke problemen waarbij gas onder lage druk staat komen minder vaak voor dan problemen met gas bij hogere drukken.

"Monte Carlo" verwijst naar de gerandomiseerde manier waarop botsingsparameters worden gekozen voor paren van deeltjes, gebaseerd op statistische principes. De volgorde waarin moleculen botsen is willekeurig, maar niet de snelheid of uitkomst van een groot aantal botsingen, die kunnen worden beschreven door bekende wiskundige modellen.

Sandia herkende het DSMC-potentieel vroeg

Meer dan 20 jaar geleden ontwikkelden Sandia-onderzoeker Tim Bartel en Plimpton Icarus, nog steeds beschouwd als een werkpaard voor DSMC-toepassingen. Gallis en Plimpton begonnen ongeveer twee en een half jaar geleden aan SPARTA te werken - deden een deel van hun brainstorm tijdens het wandelen op het Santa Fe Plaza tijdens pauzes in een internationale DSMC-workshop die Sandia om de twee jaar organiseert.

"Michael is heel, heel goed met DSMC-fysica en Steve Plimpton is heel, heel goed in het formuleren van problemen zodat grote parallelle machines ze kunnen oplossen. Die combinatie heeft ons een parallelle code gegeven met een zeer goede fysica die snel loopt, " manager Dan Rader zei.

DSMC, uitgevonden in de jaren 1960 door Graeme Bird toen hij aan de Universiteit van Sidney was, heeft een andere benadering dan traditionele codes die gassen behandelen als een continuüm in plaats van als individuele moleculen. Continuümcodes lossen partiële differentiaalvergelijkingen op op basis van fundamentals zoals behoud van massa, momentum en energie. Hoewel het op dezelfde fysische principes is gebaseerd, ontbrak de moleculaire benadering van DSMC tot 1992 aan wiskundig bewijs.

"Tot die tijd gingen mensen ervan uit dat het een benaderende methode was die het werk kon doen in regimes waar continuumemethoden duidelijk zouden mislukken, " zei Gallis.

Sandia is grotendeels geïnteresseerd in DSMC voor twee onderzoeksgebieden waar gasmoleculen relatief ver uit elkaar liggen: re-entry voertuigen, inclusief de effecten van vliegen door de buitenste uithoeken van de atmosfeer, en micro-elektrische mechanische systemen (MEMS) met kenmerken op de micron en submicron schaal. Voorbeelden van MEMS zijn chemische stromings- en druksensoren, versnellingsmeters en transducers.

Senior manager Steve Kempka, die voorheen een van de groepen leidde die betrokken waren bij het onderzoek, zei dat de samenwerking tussen Gallis en Plimpton er ook toe heeft geleid dat DSMC wordt gebruikt om stromen met een hogere dichtheid te simuleren waar moleculen relatief dicht bij elkaar liggen - iets waarvan hij nooit dacht dat hij zou zien.

"DSMC maakt simulaties mogelijk zonder de aannames die in veel andere methoden voor computationele vloeistofdynamica worden gebruikt. We hopen dat het ons de mogelijkheid biedt om de fysica van turbulente stroming op nieuwe manieren te verkennen. Ik geloof dat we zullen zien dat het wordt gebruikt om de terugkeer van een voertuig naar veel grotere diepten in de atmosfeer, met veel meer nauwkeurige beschrijvingen van de stroom, "zei hij. Dat omvat de moeilijke fenomenen van laminaire, of gestroomlijnde, stroomovergang naar turbulente stroom; ionisatie van de atmosfeer die rond een re-entry voertuig stroomt; en het wegslijten van materiaal terwijl een ruimtevoertuig naar de aarde snelt.

De chaotische aard van turbulentie maakt het moeilijk om dit te onderzoeken, maar Gallis zei dat het kunnen gebruiken van DSMC om vloeistofmechanica op een meer fundamenteel niveau te bestuderen, kan helpen om de mechanismen van turbulentie beter te begrijpen.

Parallel computing heeft het gebruik van DSMC verbreed

Deeltjesmethoden zoals DSMC werden in het verleden relatief beperkt gebruikt, maar parallel computing heeft de toepasbaarheid ervan verbreed.

"We kunnen nu kijken naar problemen die jaren geleden ondenkbaar waren, of dieper ingaan op het continuümregime, wanneer we denken dat de relevante fysica op moleculair niveau gemodelleerd moet worden, " zei Gallis.

"In vergelijking met Icarus stelt SPARTA ons in staat om fijnere gedragsschalen in vloeistoffen met een lage dichtheid op te lossen en stromen rond complexere geometrieën te bestuderen, " zei Plimpton. "Bij de ontwikkeling hebben we ook nagedacht over toekomstige, snellere computers met nieuwe architecturen, waarbij we probeerden de code zo te ontwerpen dat deze zowel op de machines van vandaag als die van morgen goed werkt."

Met een open source code is Sandia op zoek naar medewerkers om de code te verbeteren en gebruikers in staat te stellen hun eigen nieuwe fysica-, chemie- of botsingsmodellen toe te voegen, zei Plimpton.

"Het is een overwinning voor Sandia omdat extra ontwikkelaars de mogelijkheden van een code sneller uitbreiden en we ideeën kunnen gebruiken die andere mensen eraan toevoegen en vice versa, " zei hij. "Het stelt ons ook voor aan gebruikers die coderingsfouten kunnen ontdekken of met ons willen samenwerken aan nieuwe toepassingen."

De volgende grens is om te profiteren van DSMC om stromingsfysica - energie-uitwisseling en chemische reacties in botsende moleculen - op een fundamenteler niveau te modelleren en bestuderen met continuumcodes, aldus Gallis. "Als je dingen op dat niveau kunt bestuderen, kun je modellen extraheren die je vervolgens in continuumcodes kunt gebruiken om veel grotere problemen te bestuderen, " zei hij.