IFP-C3D: an Unstructured Parallel Solver for Reactive Compressible Gas Flow with Spray
Un code parallèle non structuré pour la résolution des équations compressibles réactives avec spray
Institut français du pétrole, IFP, 1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison Cedex - France
Corresponding authors: julien.bohbot@ifp.fr nicolas.gillet@ifp.fr adlene.benkenida@ifp.fr
IFP-C3D, a hexahedral unstructured parallel solver dedicated to multiphysics calculation, is being developed at IFP to compute the compressible combustion in internal engines. IFP-C3D uses an unstructured formalism, the finite volume method on staggered grids, time splitting, SIMPLE loop, sub-cycled advection, turbulent and Lagrangian spray and a liquid film model. Original algorithms and models such as the conditional temporal interpolation methodology for moving grids, the remapping algorithm for transferring quantities on different meshes during the computation enable IFP-C3D to deal with complex moving geometries with large volume deformation induced by all moving geometrical parts (intake/exhaust valve, piston). The Van Leer and Superbee slop limiters are used for advective fluxes and the wall law for the heat transfer model. Physical models developed at IFP for combustion (ECFM gasoline combustion model and ECFM3Z for Diesel combustion model), for ignition (TKI for auto-ignition and AKTIM for spark plug ignition) and for spray modelling enable the simulation of a large variety of innovative engine configurations from non-conventional Diesel engines using for instance HCCI combustion mode, to direct injection hydrogen internal combustion engines. Large super-scalar machines up to 1 000 processors are being widely used and IFP-C3D has been optimized for running on these Cluster machines. IFP-C3D is parallelized using the Message Passing Interface (MPI) library to distribute calculation over a large number of processors. Moreover, IFP-C3D uses an optimized linear algebraic library to solve linear matrix systems and the METIS partitionner library to distribute the computational load equally for all meshes used during the calculation and in particular during the remap stage when new meshes are loaded. Numerical results and timing are presented to demonstrate the computational efficiency of the code.
Résumé
Le code IFP-C3D dédié à la simulation de chambre de combustion de moteur à combustion interne est présenté dans cet article. IFP-C3D est un code parallèle utilisant un formalisme non structuré et des grilles hexaédriques. Il résout les équations de Navier-Stokes compressibles formulées dans le formalisme ALE et en utilisant la méthode d'intégration spatiale des volumes finis sur grille décalée. L'architecture du code et les équations implantées sont résolument multi-physiques afin de prendre en compte l'ensemble des phénomènes physiques présents dans les moteurs. La présence de parties mobiles telles que les soupapes d'admission et d'échappement et le mouvement des pistons nécessitent des algorithmes originaux, tels que l'interpolation (remapping) entre différents maillages afin de changer régulièrement de maillage en cours de simulation, et des méthodes sophistiquées de mouvement de maillage basées sur une interpolation temporelle conditionnée par un maillage cible. L'injection de carburant liquide est modélisée par une approche stochastique Lagrangienne ainsi que la formation de film liquide. Les modèles physiques originaux développés par l'IFP pour modéliser la combustion essence et Diesel tels que les modèles ECFM et ECFM3Z, l'allumage par auto-inflammation (modèle TKI) et par bougies d'allumage (modèle AKTIM) et l'injection liquide permettent la simulation de toutes les configurations moteurs comme les moteurs Diesel à combustion non conventionnelle de type homogène (HCCI) mais aussi les moteur à hydrogène à injection directe. La simulation de configurations 3D nécessite l'utilisation de supercalculateurs afin de rendre compatibles les temps de retour des calculs avec les exigences industrielles. Le code IFP-C3D a été parallélisé en utilisant la librairie MPI permettant de distribuer le calcul sur un grand nombre de processeurs, ce qui permet de profiter de la généralisation des supercalculateurs de type Clusters composés de plus de 1000 processeurs et de réduire considérablement les temps de retour des simulations 3D.
© IFP, 2009