Encendido de un incendio durante la simulación de combustión

Hola de nuevo. Yo soy Simón Sánchez y esta vez te voy a contar sobre Encendido de un incendio durante la simulación de combustión

La simulación de combustión puede parecer lo último en tecnologías esotéricas, pero los fabricantes de automóviles, las empresas de aviación y los diseñadores de combustibles necesitan un software cada vez más sofisticado para satisfacer las necesidades de los diseños de motores del siglo XXI. Y a medida que el gobierno y la industria exigen una mejor eficiencia del combustible y emisiones más limpias, el software de combustión se ha convertido en un tema candente.

Calendae tuvo recientemente la oportunidad de conocer Reaction Design, un fabricante líder de software de simulación de combustión, y hablar con su CEO, Bernie Rosenthal.

Reaction Design, una empresa de financiación privada con sede en San Diego, existe desde 1995 y en la actualidad emplea a aproximadamente 30 personas. Su reputación es proporcionar simulación de combustión de vanguardia al llevar la química computacional de alta fidelidad al ámbito de la dinámica de fluidos computacional (CFD).

Como ocurre con muchos tipos de ingeniería asistida por computadora, la idea detrás de la simulación de combustión es permitir que las empresas reemplacen millones de dólares en prototipos físicos y experimentos con modelos de software. Según Rosenthal, esto requiere algoritmos sofisticados, así como una comprensión profunda de los diferentes tipos de motores y combustibles utilizados por la industria. El objetivo es predecir el comportamiento termodinámico de la combustión y los subproductos no deseados: hollín de carbono, compuestos de óxido nitroso (NOx), hidrocarburos no quemados y monóxido de carbono.

Cuando se trata de química, Reaction Design ha desarrollado su competencia central desde el principio. Un par de años después de su fundación, la compañía adquirió los derechos exclusivos de un solucionador de cinética química de Sandia National Laboratories, que el laboratorio había desarrollado para simular columnas de cohetes y diseños de reactores de cohetes. Junto con el software, Reaction Design reunió a algunos de los desarrolladores clave de Sandia y los incorporó. El solucionador se produjo más tarde en CHEMKIN, el paquete que forma la base de la mayoría de las ofertas de software de Reaction Design.

Lo que distingue a Reaction Design es su capacidad para combinar sus códigos de química computacional con paquetes CFD de terceros para la simulación de combustión. Según Rosenthal, son el único proveedor que combina los dos componentes con un nivel de detalle que él llama «modelado de combustible real».

Los combustibles para motores no son meras formulaciones. La gasolina refinada también está formada por miles de moléculas diferentes que interactúan entre sí durante el proceso de combustión. «En los últimos 15 años que los CFD han estado disponibles, la mayoría de las simulaciones se han aproximado a ese combustible como una molécula», señala Rosenthal. En general, dice, esas simples simulaciones funcionaron. Al menos hicieron un buen trabajo al proporcionar una reducción del 90% en subproductos no deseados.

Pero los estándares de emisiones ahora exigen subproductos de combustión en el rango de partes por millón o incluso partes por mil millones, lo que puede ser una propuesta costosa para el usuario final. Por ejemplo, un motor diesel de $ 65,000 puede requerir un sistema de postratamiento de $ 15,000 solo para hacer frente a las emisiones de escape no deseadas. Además, la necesidad de mejorar la eficiencia del combustible y la naturaleza cambiante del combustible en sí, que puede ser cualquier cosa, desde gasolina estándar, diesel, etanol, gas natural licuado, biodiesel, propano, petróleo. colza o una combinación de las mismas – requiere un diseño de motor más complejo.

Se requieren muchos crujidos para modelar todo esto en el software. Esto es especialmente cierto en el ámbito de los motores de turbina, que tienen geometrías muy grandes. Incluso con la ventaja de la paralelización en un clúster de tamaño medio con una docena o dos CPU, una simulación CFD que utiliza una malla computacional multimillonaria tarda varios días en ejecutarse en tiempo de ejecución, y esto sin ninguna química compleja involucrada. «A estos muchachos les tomó alrededor de una semana obtener una respuesta para un solo ciclo de combustión», dice Rosenthal.

El enfoque inicial de Reaction Design para la comunidad de motores de turbina fue vincular su solucionador químico existente a códigos CFD como FLUENT, STAR-CD y CFX, que son los más utilizados por los fabricantes. Básicamente, mapearon la cinética química en el CFD dividiendo la combustión en varias regiones distintas, aplicando la química a la salida del CFD y luego agregando los resultados. El producto resultante, ENERGICO, ahora es utilizado por numerosas empresas de turbinas, incluido el mayor fabricante mundial de turbinas de gas para aviones y generación de energía.

El problema era que este enfoque no ofrecía realmente una verdadera integración CFD-químico, y era lo que estaban pidiendo las compañías automotrices y otros fabricantes de motores de combustión interna. Esta industria tradicionalmente ha recurrido a HPC para reducir el tiempo de procesamiento y aumentar la capacidad mediante la ejecución de simulaciones en clústeres cada vez más grandes y potentes. En general, los tiempos de simulación para un ciclo de combustión oscilaron entre 8 y 12 horas, lo que significa que los diseñadores podrían comenzar una carrera nocturna y analizar los resultados por la mañana.

Pero los diseños de motores más nuevos, los esquemas de inyección y presión más complejos y los requisitos de emisiones más estrictos significaban que las simulaciones habrían tenido que hacer muchos más cálculos. Los fabricantes no solo querían que la verdadera química del combustible fuera parte de esto, sino que también querían mantener sus tiempos de simulación en medio día.

Desafortunadamente, esta química es bastante exigente en términos de cálculo. Según Rosenthal, el 80-90 por ciento del tiempo de ejecución se habría dedicado a la computación química si hubieran utilizado sus algoritmos existentes. Entonces, los desarrolladores de Reaction Design echaron un segundo vistazo a su software y pudieron lograr una mejora de 10 veces en el rendimiento algorítmico.

Pero incluso eso no fue suficiente para mantener los tiempos de ejecución de la simulación en el ámbito nocturno. Para lograr esto, necesitaban paralelizar sus algoritmos, lo que hicieron en la forma típica de MPI. De esta manera, los usuarios podrían escalar el cálculo químico de forma lineal simplemente agregando más nodos de cálculo, al menos para clústeres de tamaño moderado.

La segunda parte de la solución fue la fusión de los códigos de química y CFD. Solo había un problema: Reaction Design no tenía un código CFD interno, por lo que tuvieron que desarrollar el suyo propio. La compañía ahora ofrece esto como un producto independiente llamado CHEMKIN CFD.

Pero la versión de química integrada, llamada FORTE, fue el verdadero avance. Es una solución HPC completa que admite el diseño avanzado de motores de combustión interna en 3D con química de combustible real vinculada a un solucionador de CFD. FORTE se anunció oficialmente en abril, y ya se han sumado varias grandes empresas de automóviles de Estados Unidos, Europa y Japón, dice Rosenthal.

FORTE podría expandirse a cientos de nodos, lo que situaría los tiempos de ejecución de la simulación en el ámbito de los 60 minutos. Pero la mayoría de los fabricantes probablemente usarían grupos tan grandes para ejecutar múltiples simulaciones usando diferentes parámetros, en lugar de optar por tiempos de entrega más cortos en una sola ejecución de diseño. El siguiente paso de la empresa es ver si pueden adaptar su enfoque de química CFD integrado a las geometrías de motores de turbina más grandes y ofrecer un producto similar a FORTE para esa industria.

Más allá de eso, Rosenthal está investigando la computación GPU para acelerar aún más sus códigos. En este punto, se pregunta si debería invertir los ciclos de desarrollo en tecnología CUDA u OpenCL o esperar a que las herramientas de desarrollo de mayor nivel ofrezcan una forma más transparente de aprovechar las GPU. Como la mayoría de los desarrolladores, preferiría que el compilador y el tiempo de ejecución hicieran el trabajo pesado para simplificar cualquier cambio de código fuente específico de la GPU de su parte. «Pero la verdadera pregunta para mí es: ¿qué tienen mis clientes?» dice Rosenthal. «Y ellos no tienen estos … todavía».

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