The estimation of pollutant emissions from combustion devices, such as burners or engines is nowadays a source of major interest among manufacturers. Newly introduced regulations set precise limits to emissions, hence the need for an efficient and cost-effective way to perform the calculations and provide reliable results. The Kinetic Post Processor (KPP) is a numerical tool aimed at addressing the need to manage complete and very big kinetic schemes (with up to 500 chemical species), as well as providing a detailed fluid dynamics study thanks to a thick mesh. Every grid point belonging to the mesh can be considered a Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR), therefore the entire problem can be formulated as the numerical solution of a reactor network. Such a computation is very compelling from a numerical point of view and also requires a huge amount of RAM memory to store the data and results; addressing the solution with traditional methods is unfeasible, due to memory size technological constraints, the excessive computation time needed and because faster converging global methods, such as Newton method, are not able to find the solution if the first guess inputs’ residuals are too high. A new approach is attempted to meet the aforementioned challenges: rethinking the reactor network solution algorithm as a parallel computation on a distributed memory machine. This allows to grant that enough memory is available and attempts at reducing significantly the computation time, according to the number of parallel processes used. In this Thesis a parallel algorithm for the KPP is proposed, featuring a local solution method. Different reactor network solution patterns are analyzed together with alternative formulation of the global system matrix. The solution proposed is benchmarked on a shared memory, multi-core machine. Finally, some proposals are made to further enhance the efficiency of the algorithm through the introduction of global methods.

La valutazione delle emissioni inquinanti in seguito a combustione in bruciatori o motori è attualmente fonte di grande interesse tra i produttori di tali apparecchiature. Normative di recente introduzione pongono limiti precisi a tali emissioni, perciò è necessario elaborare un metodo di calcolo efficiente ed economico, e che fornisca risultati affidabili. Il Post Processore Cinetico (KPP) è uno strumento numerico nato con lo scopo di gestire schemi cinetici completi e particolarmente complessi (fino a 500 specie chimiche), e a fornire un’analisi fluidodinamica dettagliata, grazie ad una griglia di calcolo fitta. Ogni punto della griglia può essere considerato un reattore continuo perfettamente miscelato (CSTR), per cui l’intero problema si può riformulare come la soluzione numerica di una rete di reattori. Un tale calcolo è decisamente impegnativo dal punto di vista computazionale e richiede inoltre un’enorme quantità di memoria RAM per allocare i dati e i risultati; non è possibile risolvere il problema con i metodi tradizionali, a causa dei limiti tecnologici propri della dimensione della memoria, del tempo di calcolo richiesto eccessivo e poiché i metodi di calcolo globali che convergono più rapidamente, come il metodo di Newton, non sono in grado di trovare la soluzione se i residui dei dati di primo tentativo sono troppo elevati. Per risolvere le difficoltà citate l’algoritmo risolutivo per la rete di reattori è ripensato nell’ottica del calcolo parallelo su una macchina a memoria distribuita. Questo consente di avere a disposizione sufficiente memoria e di tentare di ridurre in modo significativo il tempo di calcolo, a seconda del numero di processi paralleli usati. Nel presente lavoro di Tesi viene proposto un algoritmo parallelo per il KPP caratterizzato da un metodo risolutivo locale. Vengono analizzati diversi schemi risolutivi per la rete di reattori ed anche formulazioni alternative della matrice del sistema globale. La validità della soluzione proposta è valutata su una macchina multiprocessore a memoria condivisa. Infine, vengono proposte alcune soluzioni per aumentare l’efficienza dell’algoritmo mediante l’introduzione di metodi globali.

Metodi numerici di calcolo parallelo per la soluzione di reti di reattori

STAGNI, ALESSANDRO;CAMPELLI, CARLO MARIA
2010/2011

Abstract

The estimation of pollutant emissions from combustion devices, such as burners or engines is nowadays a source of major interest among manufacturers. Newly introduced regulations set precise limits to emissions, hence the need for an efficient and cost-effective way to perform the calculations and provide reliable results. The Kinetic Post Processor (KPP) is a numerical tool aimed at addressing the need to manage complete and very big kinetic schemes (with up to 500 chemical species), as well as providing a detailed fluid dynamics study thanks to a thick mesh. Every grid point belonging to the mesh can be considered a Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR), therefore the entire problem can be formulated as the numerical solution of a reactor network. Such a computation is very compelling from a numerical point of view and also requires a huge amount of RAM memory to store the data and results; addressing the solution with traditional methods is unfeasible, due to memory size technological constraints, the excessive computation time needed and because faster converging global methods, such as Newton method, are not able to find the solution if the first guess inputs’ residuals are too high. A new approach is attempted to meet the aforementioned challenges: rethinking the reactor network solution algorithm as a parallel computation on a distributed memory machine. This allows to grant that enough memory is available and attempts at reducing significantly the computation time, according to the number of parallel processes used. In this Thesis a parallel algorithm for the KPP is proposed, featuring a local solution method. Different reactor network solution patterns are analyzed together with alternative formulation of the global system matrix. The solution proposed is benchmarked on a shared memory, multi-core machine. Finally, some proposals are made to further enhance the efficiency of the algorithm through the introduction of global methods.
CUOCI, ALBERTO
BARRESI, ANTONELLO
ING III - Scuola di Ingegneria dei Processi Industriali
4-ott-2011
2010/2011
La valutazione delle emissioni inquinanti in seguito a combustione in bruciatori o motori è attualmente fonte di grande interesse tra i produttori di tali apparecchiature. Normative di recente introduzione pongono limiti precisi a tali emissioni, perciò è necessario elaborare un metodo di calcolo efficiente ed economico, e che fornisca risultati affidabili. Il Post Processore Cinetico (KPP) è uno strumento numerico nato con lo scopo di gestire schemi cinetici completi e particolarmente complessi (fino a 500 specie chimiche), e a fornire un’analisi fluidodinamica dettagliata, grazie ad una griglia di calcolo fitta. Ogni punto della griglia può essere considerato un reattore continuo perfettamente miscelato (CSTR), per cui l’intero problema si può riformulare come la soluzione numerica di una rete di reattori. Un tale calcolo è decisamente impegnativo dal punto di vista computazionale e richiede inoltre un’enorme quantità di memoria RAM per allocare i dati e i risultati; non è possibile risolvere il problema con i metodi tradizionali, a causa dei limiti tecnologici propri della dimensione della memoria, del tempo di calcolo richiesto eccessivo e poiché i metodi di calcolo globali che convergono più rapidamente, come il metodo di Newton, non sono in grado di trovare la soluzione se i residui dei dati di primo tentativo sono troppo elevati. Per risolvere le difficoltà citate l’algoritmo risolutivo per la rete di reattori è ripensato nell’ottica del calcolo parallelo su una macchina a memoria distribuita. Questo consente di avere a disposizione sufficiente memoria e di tentare di ridurre in modo significativo il tempo di calcolo, a seconda del numero di processi paralleli usati. Nel presente lavoro di Tesi viene proposto un algoritmo parallelo per il KPP caratterizzato da un metodo risolutivo locale. Vengono analizzati diversi schemi risolutivi per la rete di reattori ed anche formulazioni alternative della matrice del sistema globale. La validità della soluzione proposta è valutata su una macchina multiprocessore a memoria condivisa. Infine, vengono proposte alcune soluzioni per aumentare l’efficienza dell’algoritmo mediante l’introduzione di metodi globali.
Tesi di laurea Magistrale
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