圧縮性Navier-Stokes方程式の定式化による気液二相流体計算のPoisson高速化

Compressible Navier-Stokes formulation for accelerating Poisson solver of gas-liquid two-phase fluid simulations

小野寺 直幸   ; 杉原 健太 ; 伊奈 拓也 ; 井戸村 泰宏   

Onodera, Naoyuki; Sugihara, Kenta; Ina, Takuya; Idomura, Yasuhiro

気液二相流体解析は炉設計や安全性評価に適用できるなど、原子力工学分野において重要な研究テーマの一つである。しかしながら、これらの解析はマルチスケールの大規模計算を必要とし、先進的な数値手法が必須となる。この課題の解決に向けて、多相多成分熱流動解析コードJUPITERに対するPoisson解法の開発を進めてきた。本研究では、非圧縮性の近似を行わないNavier-Stokes方程式の定式化により、陰的な時間発展で現れる圧力Poisson方程式の行列を優対角とすることで、行列の反復計算の収束性の改善を目指した。円管内の気泡流解析において、8台のGPUを用いた収束性能測定では、非圧縮性近似を行ったものに対して、半分の計算時間および収束回数となり、本研究の定式化の有用性が示された。

Gas-liquid two-phase flow analysis is one of the most important research topics in nuclear engineering because it is essential for safety evaluation and reactor design. However, it requires large-scale multi-scale simulations, and advanced numerical approaches are needed. To meet this challenge, we have continued to develop the Poisson solver for the multiphase flow analysis code JUPITER. In this study, we aim to improve the convergence of the pressure Poisson solver by formulating the Navier-Stokes equation without using the incompressible approximation. The convergence performance was measured on 8 GPUs for bubbly flow analysis in a circular tube. The results show that the computation time and the number of iterations are reduced by half compared to those using the incompressible approximation, which indicates the usefulness of the formulation in the present study.