DR AFAQUE SHAMS, ASES CONSULTANCY | TOMASZ KWIATKOWSKI, NCBJ
NARODOWE CENTRUM BADAŃ JĄDROWYCH (NCBJ)
DR AFAQUE SHAMS, ASES CONSULTANCY | TOMASZ KWIATKOWSKI, NCBJ
NARODOWE CENTRUM BADAŃ JĄDROWYCH (NCBJ)
Przygotowanie referencyjnych baz danych klasy Direct Numerical Simulations w odniesieniu do projektowania nowych technologii jądrowych i zastosowań związanych z bezpieczeństwem jądrowym
CEL PROJEKTU
Wyzwanie
Projekt dotyczy dwóch podstawowych problemów związanych z bezpieczeństwem jądrowym: wstrząsu termicznego w warunkach wysokiego ciśnienia oraz mieszania się chłodziwa w kasetach paliwowych.
Cel projektu
Wytworzenie dwóch referencyjnych baz danych klasy Direct Numerical Simulations (DNS) dla dwóch zjawisk fizycznych występujących w reaktorach jądrowych:
- wstrząsu termicznego w warunkach wysokiego ciśnienia (pressurized thermal shock – PTS)
- mieszania chłodziwa w kasetach paliwowych.
ZADANIA DLA SUPERKOMPUTERA
01.
Wytworzenie referencyjnych baz danych klasy DNS (Direct Numerical Simulations) nie jest zagadnieniem trywialnym zarówno z fizycznego, jak i technicznego punktu widzenia. Wyniki z obliczeń DNS mogą być utożsamiane z wynikami fizycznego eksperymentu. Wadą tych obliczeń jest czas potrzebny do ich przeprowadzenia (w zależności od przypadku są to miesiące lub nawet lata) i konieczność wykorzystania dużych zasobów obliczeniowych. Dlatego też choć obliczenia DNS są superdokładne, nie są atrakcyjne z punktu widzenia przemysłu i różnego rodzaju prac komercyjnych. Natomiast w sytuacjach, gdy wszelkie eksperymenty fizyczne nie są możliwe do przeprowadzenia, symulacje stają się nieodzownym narzędziem, dzięki któremu można poznać fizykę badanych zjawisk.
02.
Wszystkie prace realizowane w ramach badań odbywają się z wykorzystaniem zasobów obliczeniowych klastra Centrum Informatycznego Świerk (CIŚ). Dodatkowo większość prac związanych z pre- i post- processingiem prowadzi się także na infrastrukturze klastra CIŚ, używając niezbędnego oprogramowania naukowego i inżynierskiego.
03.
Wykorzystane oprogramowanie:
NEK5000, ANSYS Fluent, OpenFOAM, VisIT, ParaView, Matlab,Python.
KORZYŚCI ZE WSPÓŁPRACY Z NCBJ
Prace badawcze realizowane w ramach projektu wymagały ogromnej mocy obliczeniowej udostępnionej przez NCBJ. Do symulacji wstrząsu termicznego wykorzystywano 5 000 CPU (central processing unit) przez okres kilku miesięcy. Natomiast do symulacji mieszania chłodziwa użyto 10 000 CPU przez okres niemal 3 lat.
Wygenerowane dane zajmują kilkadziesiąt TB.
Bez zapewnionych zasobów obliczeniowych, jak również przestrzeni dyskowej realizacja tego projektu badawczego nie byłaby możliwa.
W ramach projektu wygenerowano dwie referencyjne bazy danych, które będą służyły jako narzędzie do walidacji modeli turbulentnych niższych rzędów. Dzięki pozyskanym danym możliwa będzie poprawa istniejących i ogólnie stosowanych modeli turbulentnych, tak aby dokładniej odwzorowywały badane zjawiska, tj. wstrząs termiczny oraz mieszanie chłodziwa w prętach paliwowych. Warto wspomnieć, że referencyjna baza danych dla zagadnienia mieszania chłodziwa w prętach paliwowych została stworzona przy uwzględnieniu trzech różnych chłodziw najczęściej stosowanych w różnego rodzaju reaktorach jądrowych (wody, gazu oraz ciekłego metalu) oraz przy zadaniu dwóch różnych warunków temperaturowych na ściankach prętów – stała temperatura i stały strumień ciepła. Walidacja modeli turbulentnych niższych rzędów (klasy RANS) przy pomocy wygenerowanych baz referencyjnych umożliwi ich wykorzystanie w pracach związanych z analizami bezpieczeństwa reaktorów jądrowych, jak również w procesie projektowania nowych technologii jądrowych.
5 000 CPU
DO SYMULACJI WSTRZĄSU TERMICZNEGO
10 000 CPU
DO SYMULACJI MIESZANIA CHŁODZIWA
3 lata
CZAS TRWANIA SYMULACJI
EFEKTY
Długoterminowymi efektami projektu są:
- opracowanie zestawu tzw. najlepszych praktyk, czyli jak takie analizy należy przeprowadzać,
- próba poprawy istniejących modeli/modelu poprzez zaproponowanie np. nowej korelacji (w oparciu o wyniki z referencyjnej bazy danych DNS), aby dany model z większą dokładnością modelował przepływ i wymianę ciepła w odniesieniu do zagadnień badanych w projekcie.
Dzięki temu społeczność naukowa i inżynierowie jądrowi dostaną „ulepszone/poprawione” narzędzie umożliwiające pozyskiwanie bardziej wiarygodnych wyników (np. w pracach związanych z analizami bezpieczeństwa czy przy projektowaniu nowych technologii jądrowych).
Wyniki mogą być wykorzystywane do analiz bezpieczeństwa reaktorów jądrowych oraz w pracach koncepcyjnych nad nowymi technologiami jądrowymi.
Publikacje:
- A. Shams, D. De Santis, D. Rosa, T. Kwiatkowski, E.J.M. Komen, Direct numerical simulation of flow and heat transfer in a simplified pressurized thermal shock scenario, International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 135, 2019, Pages 517–540, https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.01.144.
- Afaque Shams, Dante De Santis, Adam Padee, Piotr Wasiuk, Tobiasz Jarosiewicz, Tomasz Kwiatkowski & Sławomir Potempski, High-Performance Computing for Nuclear Reactor Design and Safety Applications, Nuclear Technology, 2020, 206:2, 283–295, DOI: 10.1080/00295450.2019.1642683.
- Afaque Shams, Tomasz Kwiatkowski, Towards the Direct Numerical Simulation of a closely-spaced bare rod bundle, Annals of Nuclear Energy, Volume 121, 2018, pages 146–161, https://doi.org/10.1016/j.anucene.2018.07.022.
REKOMENDACJA
„I started my cooperation with NCBJ back in 2014, and from the beginning of this cooperation, I was using the computing infrastructure of the CIŚ cluster. During this period, we have carried out a number of one-of-a-kind calculations that would not be possible without these very computing resources. The CIŚ cluster has provided software. At the same time, I cannot fail to mention the excellent technical support that I have received from the entire team of administrators. All reported problems were resolved as a matter of urgency and accordingly communicated to me as per the need. The results of our work have been presented at international conferences and also published in different scientific journals. I am extremaly happy with this cooperation and the way of working of the whole team of administrators. I will be glad to continue futher computing projects on the CIŚ cluster. I highly recommend the services offered by the CIŚ team and cluster”.
DR AFAQUE SHAMS, ASS CONSULTANCY | TOMASZ KWIATKOWSKI, NCBJ
NARODOWE CENTRUM BADAŃ JĄDROWYCH (NCBJ)
