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管殼式換熱器數(shù)值模擬的并行計算技術研究

作者: 2013年07月18日 來源: 瀏覽量:
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管殼式換熱器數(shù)值模擬的并行計算技術研究 郭崇志肖樂 (華南理工大學機械與汽車工程學院) 摘要:利用并行計算原理,在FLUENT軟件中對GAMBIT建模的管殼式換熱器進行了數(shù)值模擬。通過對3種組合計算平臺所消耗的機時進行

管殼式換熱器數(shù)值模擬的并行計算技術研究

郭崇志 肖樂

(華南理工大學機械與汽車工程學院)

摘要:利用并行計算原理,在FLUENT軟件中對GAMBIT建模的管殼式換熱器進行了數(shù)值模擬。通過對3種組合計算平臺所消耗的機時進行比較,得到并行加速比和并行效率的規(guī)律,為復雜的管殼式換熱器殼程設計的工程仿真和優(yōu)化提供了一種新的處理方法。
    關鍵詞:換熱器;數(shù)值模擬;并行計算
    中圖分類號:TQ051.5文獻標識碼:A文章編號:0254-6094(2011)05-0604-03
    由于換熱器的結構多樣和流道復雜,實驗分析結果經(jīng)常因與實際存在一定偏差而難于在實際使用中得到應有的應用,得出的經(jīng)驗公式的使用范圍大大受到限制,并且換熱器內(nèi)部的流動傳熱又難以得出準確的分析結果,因而現(xiàn)在對于這類工藝分析大多采用計算流體動力學CFD方式進行工藝分析[1]。CFD計算適用性強,不受實驗模型的限制,效率較高,并能給出各種模型在各種工況下的完整資料,因此得到廣泛的應用[2]。
    隨著計算要求的提高,計算問題日趨復雜化,通常需要使用昂貴的大型計算機或高配置的服務器才能解決問題。隨著計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展,為利用基于網(wǎng)絡的并行計算系統(tǒng)解決復雜計算問題開辟了途徑。FLUENT并行計算技術通過計算機網(wǎng)絡將多臺計算機連成一個邏輯上的虛擬并行計算機系統(tǒng),由微機網(wǎng)絡集群系統(tǒng)組合成的CFD計算平臺使許多復雜的計算流體力學問題實現(xiàn)準確的模擬成為可能[3]。因此,研究基于網(wǎng)絡并行計算的CFD技術有重要的實際意義。
    1·換熱器流體模型的建立
    筆者研究的對象為某實驗用折流桿管殼式換熱器,主要結構參數(shù)如下:
    筒體尺寸  Φ115mm×6.5mm×1 476mm
    管板厚度  12mm
    折流桿直徑  3.2mm
    換熱管?Φ12mm×3mm(管心距19mm,采用正三角形布管)
    管程流體  水蒸氣
    殼程流體  自來水(流速為0.5m/s)
    換熱器在縱向上具有對稱性,故可建立換熱器1/2模型,在對稱面上Boundary Types定義為SYMMETRY,這樣能將模型網(wǎng)格減半,節(jié)省了很大的計算資源。
    2·并行計算平臺的建立
    并行計算就是將網(wǎng)格劃分成多個子域,將每個子域對應到不同的計算節(jié)點(處理器)上,再利用多個計算節(jié)點同時進行計算。本次并行計算采用節(jié)點并行來構建并行平臺,在基于RSHD傳輸?shù)木W(wǎng)絡連接所構建的WINDOWS工作平臺上運行的。并行平臺使用了4臺普通的WINDOWS-32機,該機主要配置如下:
    處理器AMD Athlon(tm)64 x2 Dual Coreprocessor 5200+2.70GH
    芯片組Advanced Micro Devices(AMD)RS780
    內(nèi)存2GB
    計算時采用FLUENT軟件內(nèi)部的自動分割網(wǎng)格技術,自動保證各節(jié)點負荷平衡。
    3·殼程流動的數(shù)值模擬
    筆者利用分段模擬技術[4],先選取入口段進行數(shù)值模擬。在CFD軟件FLUENT計算后可以得到換熱器殼程整體的流動情況(圖1、2)。


            
    從圖1和圖2可看出,換熱器入口段存在較大的溫差,將產(chǎn)生很大的溫差應力,這與傳統(tǒng)的實驗及理論分析吻合[5]。本數(shù)值模擬得出的詳細結果能為換熱器結構和尺寸的優(yōu)化提供良好的方法。
    4·并行計算的加速比和效率的研究
    各個并行計算平臺經(jīng)過相近的迭代步數(shù),獲得最后結果列于表1。從出口溫度、傳熱膜系數(shù)和壓降3個方面可以看出,采用并行計算并不會影響計算結果的準確性,所產(chǎn)生的誤差可以視為是由FLUENT軟件殘差所引起的,這也是數(shù)值模擬迭代誤差所允許的。


           
    并行加速比N用來衡量并行系統(tǒng)或程序并行化的性能和效果,加速比N定義為相同任務量的情況下(通常采用運行同一個任務來實現(xiàn)相同的任務量),并行處理器系統(tǒng)中求解消耗的時間Tn(n為并行機子數(shù)目)和單機運行所需的機時T1之比,并行效率E定義為加速比N與并行系統(tǒng)中機子數(shù)目n之比,它用來衡量并行計算平臺的計算能力發(fā)揮的程度,而并行計算所節(jié)省的時間t,可以衡量出并行計算所實現(xiàn)的最終效果,具體表達式為:


    
    在理想并行系統(tǒng)下,加速比能達到N=n,并行效率E=1,但實際運用中,受到主節(jié)點與支節(jié)點間通信能力,還有主節(jié)點只分配一定的計算能力來處理節(jié)點間數(shù)據(jù)的交換所限制,理想并行系統(tǒng)是實現(xiàn)不了的。而節(jié)點數(shù)增加的時候,每節(jié)點所承擔的計算量將出現(xiàn)一定的下降,并行效率隨之下降。
    本換熱器算例在各個并行計算平臺所消耗的時間、相應的加速比和并行效率見表2。


            
    由表2可知,采用兩節(jié)點、三節(jié)點并行計算時分別只需原來的52.730%、37.878%的時間就可以完成相同的計算任務,因此采用并行計算所節(jié)約的時間是相當可觀的。
    通過并行加速比和效率可知,隨著計算節(jié)點的增加,并行計算的時間和單機計算相比大大縮短,基本能夠達到預期的目標。
    5·結論
    5.1普通配置的常用PC機可成功構建性價比較高的FLUENT并行計算平臺,充分發(fā)揮FLU-ENT軟件的數(shù)值模擬的能力,縮小了相同計算量下所消耗的機時。FLUENT的并行計算功能在產(chǎn)品創(chuàng)新設計、方案設計和性能分析等方面大有可為,為CFD數(shù)值模擬的深入應用提供了廣闊前景。
    5.2所搭建的并行計算平臺隨著并行計算的計算機數(shù)量增加而增加,但是隨之數(shù)據(jù)交換量也會增加,計算機之間的通信能力等因素將制約加速比的增加速度,從而使并行效率降低。
參考文獻
[1]吳金星,王定標,魏新利.管殼式換熱器殼程流動和傳熱數(shù)值模擬研究進展[J].流體機械,2005,33(3):297~302.
[2]王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004:2~4.
[3]朱國林,徐慶新.計算流體動力學并行計算技術研究綜述[J].空氣動力學學報,2002,20(3):1~6.
[4]郭崇志,梁泉水.折流桿換熱器數(shù)值模擬新方法[J].化工進展,2007,26(8):1198~1200,1206.
[5]郭崇志,林長青.固定管板式換熱器的溫度場數(shù)值分析[J].化工機械,2008,35(6):338~344.

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