EBI-DNScode

Umfangreiches Update für EBI-DNS (Juli 2024)

Wir freuen uns die neuste Version von EBI-DNS anzukündigen! Seit 2012 kombiniert EBI-DNS OpenFOAM mit Cantera, um Simulationen reagierender Strömungen mit detaillierten Diffusionsmodellen und effizienter Chemieintegration zu ermöglichen. In der neusten Version wurden umfangreiche Updates und Neuentwicklungen implementiert. Die Neuerungen umfassen:  

• Code für die neusten OpenFOAM Versionen angepasst (v2312 und v2406), wodurch auch neue HPC Verbesserungen der ESI-OpenFOAM Version genutzt werden können
• Update der internen Cantera Version zur aktuellsten Version 3.1.0a2
• Kopplungsbibliothek von Grund auf neu geschrieben, um vollständig mit OpenFOAMs Thermo-Klassen kompatibel zu sein, wodurch nun optional Turbulenzmodelle, Strahlungsmodelle, Post-Processing Tools usw. verwendet werden können
• Zusätzlich zum mixture-averaged und multicomponent Diffusionsmodell wurden neue Optionen hinzugefügt:
  • Genaue Berechnung von Thermo-Diffusion (Soret Effekt) zusammen mit dem mixture-averaged Transport Model (z.B. für die Modellierung von Wasserstoff)
  • „Unity Lewis number“ und Spezies-spezifische Lewis Zahlen
  • Sutherland Modell
• Neues optionales low-Mach Modell, um hydrodynamischen und thermodynamischen Druck zu entkoppeln
• Unterstützung von Adaptive Mesh Refinement (AMR) und beweglichen Gittern
• Verbesserte Stabilität während der ODE Integration mit CVODE und neue Optionen, um die Integration zu beschleunigen
• Neue Randbedingungen für “burner-stabilized flames” und “zero-species flux”, um physikalische Ergebnisse bei der Nutzung von Thermo-Diffusion zu garantieren
• Unterstützung für Lagrangesche Partikel, z.B: um Sprayverdampfung und -verbrennung zu modellieren
• Unterstützung verschiedener Energiegleichungen
  • Sensible Enthalpie
  • Absolute Enthalpie
  • Sensible Innere Energie
  • Absolute Innere Energie
  • Temperatur
• Optional kann kinetische Energie, viscous dissipation und potentielle Energie in der Energiegleichung ein/ausgeschaltet werden
• Neues Strahlungsmodell für optisch dünne Gase
• Druck-Geschwindigkeitskopplung verfügbar basierend auf Kompressibilität- (phi) und Dichte- (rho) Formulierung sowie mit Druck (p) und hydrostatischem Druck (p_rgh)
• Alle Sundials Versionen unterstützt (von 2.7.0 bis zur aktuellen Version 7.0.0), jeweils mit und ohne LAPACK
• Optionaler “pressure offset” zur Erhöhung der numerischen Genauigkeit des hydrodynamischen Druckfeldes
• Implementierung Spezies-spezifischer turbulenter Schmidt Zahlen
• Neues Tool, um 1D Flammenprofile von Cantera auf beliebige OpenFOAM Geometrien zu interpolieren
• Update der verwendeten internen Eigen Version zu 3.4.90
• Verbesserte Formulierung der Berechnung der Fourier Zahl, die auch in 2D und 1D Fällen gültig ist
• Neues function object, das „sponge regions” einführt, um unphysikalische Druckwellen zu filtern
• Die CFL Zahl kann wahlweise als konvektive oder akustische CFL Zahl berechnet werden
• Vollständig kompatibel mit OpenFOAM kompiliert mit 32 and 64 bit labels sowie double and single precision floating points
• Vollständig kompatibel mit Sundials kompiliert mit 32 and 64 bit integers sowie double and single precision floating points
• Erweiterte Dokumentation mit mehr best-practice Tipps und detaillierten Anleitungen zum Installieren des Codes und updaten existierender Cases
• Obwohl Cantera in den letzten Versionen weitere externe Abhängigkeiten hinzugefügt hat, ist die einzige externe Abhängigkeit von EBI-DNS weiterhin Sundials. Dadurch ist das Installieren des Codes einfach und möglich auch auf alten oder weniger verbreiteten System. Die Installation wurde getestet mit den Compilern gcc, Clang, Intel icc und Intel icx

Neuere Beispiele von Arbeiten mit EBI-DNS sind:

1. T. Zirwes, M. Sontheimer, F. Zhang, A. Abdelsamie, F. E. Hérnandez Pérez, O. T. Stein, H. G. Im, A. Kronenburg, and H. Bockhorn, “Assessment of numerical accuracy and parallel performance of OpenFOAM and its reacting flow extension EBIdnsFoam,” Flow, Turbulence and Combustion, vol. 111, pp. 567–602, 2023. (https://doi.org/10.1007/s10494-023-00449-8)
2. T. Zirwes, S. Eckart, F. Zhang, T.L. Kaiser, K. Oberleithner, O.T. Stein, H. Bockhorn and A. Kronenburg, "Structure and dynamics of hexagonal cells in H2/CO2 flames," Proceedings of the Combustion Institute, vol 40, 2024. (https://doi.org/10.1016/j.proci.2024.105332)

Bei Fragen zu EBI-DNS können Sie vbt-openfoam(∂)ebi.kit.edu kontaktieren oder direkt den Hauptentwickler, Thorsten Zirwes (thorsten.zirwes(∂)itv.uni-stuttgart.de).

Beschreibung von EBI-DNS

OpenFOAM® ist ein weit verbreitetes, flexibles, einfach zu erweiterndes und leistungsfähiges Toolkit für numerische Strömungssimulationen, das zusätzliche Werkzeuge für Pre- und Postprocessing bietet. Es verfügt über eine Reihe von Solvern für die Simulation von Verbrennungsprozessen. Diese Solver weisen jedoch einige Mängel auf:

• Es sind keine detaillierten Modelle für die molekulare Diffusion verfügbar. Stattdessen wird für alle Spezies eine einheitliche Lewis-Zahl angenommen.
• Für die Berechnung chemischer Reaktionsgeschwindigkeiten aus endlichen Geschwindigkeitsmodellen werden die OpenFOAM®-Löser für gewöhnliche Differentialgleichungen (ODE) verwendet. Im Vergleich zu anderen ODE-Solvern laufen diese wesentlich langsamer.

Um diese Unzulänglichkeiten zu überwinden und einen OpenFOAM®-basierten Solver bereitzustellen, der Flammen sowohl genau als auch effizient berechnen kann, wurde der EBI-DNS-Solver entwickelt. Er wurde erstmals im Jahr 2012 entwickelt und seitdem ständig verbessert. Er koppelt OpenFOAM® an die Open-Source-Bibliothek Cantera. Dies ermöglicht die Nutzung des detaillierten Modells für Diffusionskoeffizienten von Cantera. Dies bedeutet auch, dass dem OpenFOAM®-Solver Reaktionsmechanismen im xml-Format von Cantera zur Verfügung gestellt werden können. Die Integration chemischer Reaktionsraten wird von Sundials CVODE-Solver durchgeführt, der die einzige Abhängigkeit des EBI-DNS-Solvers von einem Drittanbieter darstellt. Im Vergleich zu den OpenFOAM®-eigenen ODE-Solvern wurde festgestellt, dass dies die chemischen Berechnungen um einen Faktor zehn beschleunigt, je nach Konfiguration.