掺氢天然气管网数值仿真轻量化算法

作     者：石国赟 宇波 SHI Guoyun;YU Bo

作者机构：北京石油化工学院机械工程学院 北京市安全生产工程技术研究院 北京航空航天大学航空发动机研究院 

出 版 物：《天然气工业》 (Natural Gas Industry)

年 卷 期：2024年第44卷第2期

页      面：156-165页

核心收录：

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 082003[工学-油气储运工程] 

基　　金：国家重点研发计划项目“氢能技术”重点专项“中低压纯氢与掺氢燃气管输工艺与掺氢设备研发”(编号:2021YFB4001602) 

主　　题：天然气管网 数值仿真 计算效率 状态方程 加速比 掺氢 

摘      要：目前针对管网数值仿真算法的优化主要集中在代数方程组的求解上。针对管网流动数值仿真算法提升计算效率方案中缺少针对封闭关系与状态方程的优化,分析了目前优化方案各模块的耗时情况,发现了仿真程序中耗时模块为封闭关系与状态方程求解。最后,结合计算机库函数的缺点以及现代CPU中SIMD (Single Instruction Multiple Data)模型的特点,提出了针对封闭关系与状态方程的轻量化算法,并验证了算法的高效性。研究结果表明:(1)封闭关系与状态方程模型中的耗时原因为直接调用库函数的次幂运算、指数运算、对数运算以及除法运算;(2)由于次幂运算效率远低于其他运算,通过变换消除了模型中几乎所有的次幂运算;(3)利用SIMD指令来计算指数运算与对数运算,实现了在单核CPU上同时计算多个数据的指数与对数,最后通过数学变换将所有除法转换为乘法;(4)轻量化算法加速效果显著,其整体加速比为18,而在状态方程求解模块的加速比更是高达70以上。结论认为,该轻量化算法在不影响计算精度的条件下提高了计算速度,对于提高掺氢天然气管网在线仿真与智能管网的建设具有重要的理论价值和技术支撑。