DR HAB. INŻ. SŁAWOMIR PIETROWICZ, PROF. PWR, DR INŻ. PRZEMYSŁAW BŁASIAK, DR INŻ. JÓZEF RAK
KATEDRA TERMODYNAMIKI I ODNAWIALNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII,
POLITECHNIKA WROCŁAWSKA
DR HAB. INŻ. SŁAWOMIR PIETROWICZ, PROF. PWR, DR INŻ. PRZEMYSŁAW BŁASIAK, DR INŻ. JÓZEF RAK
KATEDRA TERMODYNAMIKI I ODNAWIALNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII,
POLITECHNIKA WROCŁAWSKA
Wykorzystanie dużych mocy obliczeniowych do analiz projektowania
i optymalizacji wielkogabarytowych mieszalników przemysłowych z uwzględnieniem procesów cieplno-przepływowych
CEL PROJEKTU
Problem
Projekt dotyczy opracowania metodologii przeprowadzania zaawansowanych obliczeń numerycznych typu CFD (Computational Fluid Dynamics) przy wykorzystaniu dużych mocy obliczeniowych dedykowanych dla mieszalników przemysłowych. Ma to kluczowe znaczenie w przypadku projektowania i optymalizacji mieszalników o dużych objętościach, tzn. powyżej 6 m3, gdzie skrócenie czasu i efektywności mieszania skutkuje dużymi oszczędnościami związanymi z nakładami energetycznymi.
Cel projektu
Opracowanie modeli matematycznych procesów mieszania oraz implementacja ich w komercyjnych i open source’owych programach numerycznych. W czasie projektu modele zostały poddane walidacji i ostatecznie użyte w czasie projektowania zoptymalizowanych mieszalników. Optymalizacji podlegały takie elementy konstrukcyjne bezpośrednio uczestniczące w procesie mieszania, jak: tarcze mieszające/dyspergujące, kotwice oraz elementy wspomagające ten proces. Dodatkowo oprócz procesów przepływowych w modelach zaimplementowano zarówno procesy cieplne wynikające z tarcia produktów mieszanych, jak i dopływy ciepła z układów grzewczo-chłodzących zainstalowanych w urządzeniu. W końcowym efekcie procesu optymalizacyjnego uzyskuje się mieszalnik chrakteryzujący się krótszym czasem mieszania oraz bardziej efektywnym, wydajniejszym systemem chłodząco-grzewczym.
CEL PROJEKTU
Problem
Projekt dotyczy opracowania metodologii przeprowadzania zaawansowanych obliczeń numerycznych typu CFD (Computational Fluid Dynamics) przy wykorzystaniu dużych mocy obliczeniowych dedykowanych dla mieszalników przemysłowych. Ma to kluczowe znaczenie w przypadku projektowania i optymalizacji mieszalników o dużych objętościach, tzn. powyżej 6 m3, gdzie skrócenie czasu i efektywności mieszania skutkuje dużymi oszczędnościami związanymi z nakładami energetycznymi.
Cel projektu
Opracowanie modeli matematycznych procesów mieszania oraz implementacja ich w komercyjnych i open source’owych programach numerycznych. W czasie projektu modele zostały poddane walidacji i ostatecznie użyte w czasie projektowania zoptymalizowanych mieszalników. Optymalizacji podlegały takie elementy konstrukcyjne bezpośrednio uczestniczące w procesie mieszania, jak: tarcze mieszające/dyspergujące, kotwice oraz elementy wspomagające ten proces. Dodatkowo oprócz procesów przepływowych w modelach zaimplementowano zarówno procesy cieplne wynikające z tarcia produktów mieszanych, jak i dopływy ciepła z układów grzewczo-chłodzących zainstalowanych w urządzeniu. W końcowym efekcie procesu optymalizacyjnego uzyskuje się mieszalnik chrakteryzujący się krótszym czasem mieszania oraz bardziej efektywnym, wydajniejszym systemem chłodząco-grzewczym.
ZADANIA DLA SUPERKOMPUTERA
Ze względu na charakter zachodzących procesów fizycznych obliczenia muszą być przeprowadzone na bardzo gęstej „siatce numerycznej”, minimalna liczba elementów to 70 mln. Obliczenia w takim przypadku muszą być prowadzone równolegle na wielu węzłach. Dodatkowym utrudnieniem są analizy procesów w stanach nieustalonych, co zwiększa znacząco czas przeprowadzonych obliczeń i wielkość plików wynikowych.
01.
W czasie realizacji projektu zostały przeprowadzone kompleksowe symulacje numeryczne, walidacje zaproponowanych modeli matematycznych oraz analizy uzyskanych wyników pod kątem jakościowym (wizytacja przepływów i zmian temperatury w przestrzeni roboczej) oraz ilościowym (analiza parametrów cieplno-przepływowych wraz z analizami mocy mechanicznej i cieplnej).
02.
Obliczenia zostały przeprowadzone w dwóch różnych środowiskach numerycznych: komercyjnym – Ansys CFX i Fluent oraz open source’owym – OpenFOAM.
KORZYŚCI ZE WSPÓŁPRACY Z WCSS
Znacząca redukcja czasów obliczeniowych.
Zwiększenie liczby elementów numerycznych, które znacząco wpłynęło na jakość obliczeń w szczególności w tzw. hydraulicznej i termicznej warstwie przyściennej.
Został zmniejszony tzw. krok czasowy, co znacząco poprawiło jakość uzyskanych wyników.
Obsługa techniczna w procesie instalowania i obsługi oprogramowania.
Elastyczność administratorów odnośnie wykorzystanej mocy technicznej.
Bezpośrednia komunikacja techniczna pomiędzy administratorem systemu a producentem oprogramowania.
6 m3
OPTYMALIZACJA MIESZALNIKÓW O DUŻYCH OBJĘTOŚCIACH
70 mln
MINIMALNA LICZBA ELEMENTÓW
300%
ZREDUKOWANY CZAS MIESZANIA I GRZANIA
EFEKTY
Opracowanie metodologii przeprowadzania obliczeń numerycznych dla mieszalników o dużej objętości. W końcowym etapie przeprowadzanych obliczeń niezbędne okazało się zaimplementowanie do modelu własności cieczy nienewtonowskich. Dla procesu zostały zaproponowane i zaimplantowane równania takie, jak: równanie ciągłości, równanie pędu (Naviera-Stokesa) oraz równanie energii.
Przeprowadzono serie obliczeń numerycznych dla istniejących mieszalników. Wyniki obliczeń numerycznych charakteryzowały się wysokim stopniem zbieżności w porównaniu z danymi rzeczywistymi. Następnie mieszalniki zostały zoptymalizowane pod kątem czasu mieszania w połączeniu z procesem grzania.
Pokazanie możliwości optymalizacji konstrukcji urządzenia przy użyciu zaawansowanych technik numerycznych typu CFD. W jednym z analizowanych przypadków udało się znacząco zredukować czas mieszania i grzania o prawie 300%.
Analizy i algorytmy numeryczne są na tyle uniwersalne, że mogą być stosowane w dolnym obszarze naukowo-przemysłowym związanym z projektowaniem i optymalizacją mieszalników, np. farb, leków, materiałów budowlanych, produktów spożywczych.
Konsultacja analiz z lokalnymi wytwórcami produktów na Dolnym Śląsku – transfer wiedzy i analiz do podmiotów gospodarczych.
6 m3
OPTYMALIZACJA MIESZALNIKÓW O DUŻYCH OBJĘTOŚCIACH
70 mln
MINIMALNA LICZBA ELEMENTÓW
300%
ZREDUKOWANY CZAS MIESZANIA I GRZANIA
EFEKTY
Opracowanie metodologii przeprowadzania obliczeń numerycznych dla mieszalników o dużej objętości. W końcowym etapie przeprowadzanych obliczeń niezbędne okazało się zaimplementowanie do modelu własności cieczy nienewtonowskich. Dla procesu zostały zaproponowane i zaimplantowane równania takie, jak: równanie ciągłości, równanie pędu (Naviera-Stokesa) oraz równanie energii.
Przeprowadzono serie obliczeń numerycznych dla istniejących mieszalników. Wyniki obliczeń numerycznych charakteryzowały się wysokim stopniem zbieżności w porównaniu z danymi rzeczywistymi. Następnie mieszalniki zostały zoptymalizowane pod kątem czasu mieszania w połączeniu z procesem grzania.
Pokazanie możliwości optymalizacji konstrukcji urządzenia przy użyciu zaawansowanych technik numerycznych typu CFD. W jednym z analizowanych przypadków udało się znacząco zredukować czas mieszania i grzania o prawie 300%.
Analizy i algorytmy numeryczne są na tyle uniwersalne, że mogą być stosowane w dolnym obszarze naukowo-przemysłowym związanym z projektowaniem i optymalizacją mieszalników, np. farb, leków, materiałów budowlanych, produktów spożywczych.
Konsultacja analiz z lokalnymi wytwórcami produktów na Dolnym Śląsku – transfer wiedzy i analiz do podmiotów gospodarczych.
REKOMENDACJA
REKOMENDACJA
„Profesjonalna obsługa serwerów obliczeniowych dużych mocy – instalacja i konfiguracja oprogramowania przebiegała bezproblemowo, także system kolejkowania działa bez zarzutów.
Dostęp do unikalnej infrastruktury obliczeniowej.
Szybka reakcja na problemy zaistniałe w czasie pracy.
Obsługa techniczna w procesie instalowania i obsługi oprogramowania.
Elastyczność w dostępnie do węzłów obliczeniowych.
Profesjonalna pomoc techniczna na każdym etapie wykonywania projektu”.
DR HAB. INŻ SŁAWOMIR PIETROWICZ, PROF UCZELNI, DR INŻ. PRZEMYSŁAW BŁASIAK, DR INŻ. JÓZEF RAK
KATEDRA TERMODYNAMIKI I ODNAWIALNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII,
POLITECHNIKA WROCŁAWSKA
