Parallel Finite Volume Code for Plasma with Unstructured Adaptive Mesh Refinement

The present paper describes a parallel unstructured-mesh Plasma simulation code based on Finite Volume method. The code dynamically refines and coarses mesh for accurate resolution of the different features regarding the electron density. Our purpose is to examine the performance of a new Parallel Adaptive Mesh Refinement (PAMR) procedure introduced on the ADAPT platform, which resolves of a relatively complicated system coupling the flow partial differential equations to the Poisson's equation. The implementation deals with the MUMPS parallel multi-frontal direct solver and mesh partitioning methods using METIS to improve the performance of the framework. The standard MPI is used to establish communication between processors. Performance analysis of the PAMR procedure shows the efficiency and the potential of the method for the propagation equations of ionization waves

Développement d'un simulateur de terres agricoles et de politiques pour promouvoir des politiques climato-intelligentes

International audienceFeeding 1.5 billion people by 2030, and 2 billion by 2050, while mitigating and adapting to climate change, is a daunting challenge that countries in Africa are attempting to address. In this paper we report in a project between Mohammed VI Polytechnic University (UM6P) and Climate Interactive (CI). Our tool, the Agriculture and Land Policy Simulator (ALPS) helps policy-makers and stakeholders make climate-smart decisions in their agriculture strategies. ALPS models the intersections among land, agriculture, and climate. We base our work on the Climate Smart Agriculture (CSA) concept, the three pillars of which are: food security, resilience to climate changes, and mitigation of emissions. Using System Dynamics, a multidisciplinary team of agronomists, agricultural economists, and system dynamics developed the causal relationships. We refined system structure and formulations based on discussion with experts, existing research, and analysis of strategic policy documents. The model parameters are set to fit historical data from a variety of sources. In this paper we present the Moroccan case of ALPS, incorporating significant improvements over prior work and fitted to the Morocco policy context. The Green Morocco Plan (known by the French acronym PMV) is specifically used for simulation and modeling exercise. The simulator allows the user to test assumptions and scenarios through varying levels on different policy components. ALPS has previously been used to simulate the Ethiopian context, and future development will improve both these cases and will be extended to cover several African countries. The causal loop below summarizes all interactions between the model variables that interlink agriculture sectors. Food Demand increases with population and living standards. The user makes choices to ensure Food Available-Production and Imports less Losses and Exports-can meet demand. Land use can change between five categories-Cropland, Pasture, Forest, Grassland, and Dessert. The availability and need for irrigation depends on rainfall and infrastructure. These physical limits enforce the constraints the agriculture system faces. Action to meet food demand also create undesirable consequences. Countries have goals such as reducing greenhouse gas emissions and deforestation. ALPS includes direct emissions from crop and livestock farming, as well as emissions from land-use changes and the stocks of carbon sequestered in soil and biomass. These help the user see the impact on other goals when meeting food needs

Investigation numérique de modèles complexes de transport de pulpe par des méthodes volumes finis

Phosphate ore slurry is a suspension of insoluble particles of phosphate rock, the primary raw material for fertilizer and phosphoric acid, in a continuous phase of water. This suspension has a non-Newtonian flow behavior and exhibits yield stress as the shear rate tends toward zero, which can be described as viscoplastic behavior. First, we proposed an innovative methodology to handle the numerical simulation of viscoplastic ?ows, based on a multigrid initialization algorithm in conjunction with the SIMPLE procedure. Using the proposed solver in combination with the regularization scheme of Papanastasiou, we chose the square lid-driven cavity flow and pipe flow as test cases for validation and discussion. In doing so, we study the influence of the Bingham number and the Reynolds number on the development of rigid areas and the features of the vortices within the flow domain. Regarding viscoplastic flows, our experiments demonstrate that our approach based on using the multigrid method as an initialization procedure makes a significant contribution by outperforming the classic single grid method. Afterwards, various grades and phosphate ore concentrations were chosen for this rheological investigation. We created some experimental protocols to determine the main characteristics of these complex fluids and established relevant rheological models with a view to simulate the numerical flow in a cylindrical pipeline. Rheograms of these slurries were obtained using a rotational rheometer and were accurately modeled with commonly used yield-pseudoplastic models. The results show that the concentration of solids in a solid--liquid mixture could be increased while maintaining a desired apparent viscosity. Then, a new rheological model for the flow of phosphate-water suspensions is proposed and it is found to be in good agreement with experimental data. The proposed model is then incorporated into the OpenFoam numerical code. The results demonstrate that the model is capable of reproducing the rheological behavior of phosphate suspensions at both low and high concentrations by comparing it with suitable models for modeling the rheological behavior of phosphate suspensions. The proposed model can provide a pathway for accurately simulating and monitoring phosphate slurry flows. The overall contributions of this work address a significant gap in the current understanding and simulation of phosphate ore slurry flow.La pulpe de minerai de phosphate est une suspension de particules insolubles de roche de phosphate, matière première principale des engrais et de l'acide phosphorique, dans une phase continue d'eau. Cette suspension a un comportement d'écoulement non newtonien et manifeste une contrainte seuil à l'approche d'une vitesse de cisaillement de zéro, ce qui peut être défini comme un comportement viscoplastique. Premièrement, nous avons proposé une méthodologie novatrice pour gérer la simulation numérique des écoulements viscoplastiques, basée sur un algorithme d'initialisation multigrille conjointement avec la procédure SIMPLE. En employant le solveur proposé en combinaison avec l'équation de régularisation de Papanastasiou, nous avons choisi le cas d'écoulement en cavité carrée entraînée par le couvercle et l'écoulement en pipeline comme cas d'études pour validation et discussion. De ce fait, nous avons examiné l'influence du nombre de Bingham et du nombre de Reynolds sur l'apparition des zones rigides et les caractéristiques des vortex dans le domaine d'écoulement. En ce qui concerne les écoulements viscoplastiques, nos expériences montrent que notre approche basée sur l'utilisation de la méthode de multigrille comme procédure d'initialisation apporte une contribution significative en surpassant la méthode classique à grille unique. Par la suite, nous avons choisi diverses teneurs et concentrations en minerai de phosphate pour cette étude rhéologique. Nous avons établi des protocoles expérimentaux pour déterminer les caractéristiques principales de ces fluides complexes et avons établi des modèles rhéologiques appropriés dans le but de simuler l'écoulement numérique dans un pipeline cylindrique. Les rhéogrammes de ces boues ont été obtenus à l'aide d'un rhéomètre rotatif et ont été modélisés avec précision en utilisant les modèles couramment employés pour le comportement pseudo-plastique à seuil. Les résultats démontrent que la concentration en solides d'un mélange solide-liquide peut être augmentée tout en conservant une viscosité apparente souhaitée. Par la suite, un nouveau modèle rhéologique pour l'écoulement des suspensions phosphate-eau a été proposé et s'est révélé être en accord avec les données expérimentales. Le modèle proposé a ensuite été intégré au code numérique OpenFoam. Les résultats démontrent que le modèle est capable de reproduire le comportement rhéologique des suspensions de phosphate à faibles et hautes concentrations en le comparant avec des modèles adaptés pour la modélisation du comportement rhéologique des suspensions de phosphate. Le modèle proposé peut offrir une voie pour la simulation précise et la gestion des écoulements de boue de phosphate. Les contributions globales de ce travail comblent une lacune significative dans la compréhension et la simulation actuelles de l'écoulement de la boue de minerai de phosphate En particulier, en matière logistique, l’OCP SA dispose du plus long pipeline de transport du phosphate au monde. Reliant le site minier de Khouribga-Maroc à la plate-forme de transformation de Jorf Lasfar-Maroc sur une longueur de 235 kilomètres, le Slurry Pipeline se veut une prouesse d’ingénierie qui permettra au groupe de doubler sa capacité de transport minier, de réduire ses dépenses en énergie et de diminuer considérablement la perte de phosphate tout au long de la chaîne de production. D’où la nécessité de comprendre les phénomènes physiques liés à ce mode de transport et de caractériser le comportement rhéologique de ce type de fluide.En particulier, concernant le Slurry pipeline, un enjeu majeur est le bon fonctionnement du pompage menacé par des problèmes techniques, notamment, des problèmes bouchages. Afin de prédire le comportement du fluide dans les conduites, une modélisation représentant l’écoulement est possible. Apparaît alors un problème modélisé mathématiquement par des équations dérivées des équations de Navier-Stockes

Investigation numérique de modèles complexes de transport de pulpe par des méthodes volumes finis

Phosphate ore slurry is a suspension of insoluble particles of phosphate rock, the primary raw material for fertilizer and phosphoric acid, in a continuous phase of water. This suspension has a non-Newtonian flow behavior and exhibits yield stress as the shear rate tends toward zero, which can be described as viscoplastic behavior. First, we proposed an innovative methodology to handle the numerical simulation of viscoplastic ?ows, based on a multigrid initialization algorithm in conjunction with the SIMPLE procedure. Using the proposed solver in combination with the regularization scheme of Papanastasiou, we chose the square lid-driven cavity flow and pipe flow as test cases for validation and discussion. In doing so, we study the influence of the Bingham number and the Reynolds number on the development of rigid areas and the features of the vortices within the flow domain. Regarding viscoplastic flows, our experiments demonstrate that our approach based on using the multigrid method as an initialization procedure makes a significant contribution by outperforming the classic single grid method. Afterwards, various grades and phosphate ore concentrations were chosen for this rheological investigation. We created some experimental protocols to determine the main characteristics of these complex fluids and established relevant rheological models with a view to simulate the numerical flow in a cylindrical pipeline. Rheograms of these slurries were obtained using a rotational rheometer and were accurately modeled with commonly used yield-pseudoplastic models. The results show that the concentration of solids in a solid--liquid mixture could be increased while maintaining a desired apparent viscosity. Then, a new rheological model for the flow of phosphate-water suspensions is proposed and it is found to be in good agreement with experimental data. The proposed model is then incorporated into the OpenFoam numerical code. The results demonstrate that the model is capable of reproducing the rheological behavior of phosphate suspensions at both low and high concentrations by comparing it with suitable models for modeling the rheological behavior of phosphate suspensions. The proposed model can provide a pathway for accurately simulating and monitoring phosphate slurry flows. The overall contributions of this work address a significant gap in the current understanding and simulation of phosphate ore slurry flow.La pulpe de minerai de phosphate est une suspension de particules insolubles de roche de phosphate, matière première principale des engrais et de l'acide phosphorique, dans une phase continue d'eau. Cette suspension a un comportement d'écoulement non newtonien et manifeste une contrainte seuil à l'approche d'une vitesse de cisaillement de zéro, ce qui peut être défini comme un comportement viscoplastique. Premièrement, nous avons proposé une méthodologie novatrice pour gérer la simulation numérique des écoulements viscoplastiques, basée sur un algorithme d'initialisation multigrille conjointement avec la procédure SIMPLE. En employant le solveur proposé en combinaison avec l'équation de régularisation de Papanastasiou, nous avons choisi le cas d'écoulement en cavité carrée entraînée par le couvercle et l'écoulement en pipeline comme cas d'études pour validation et discussion. De ce fait, nous avons examiné l'influence du nombre de Bingham et du nombre de Reynolds sur l'apparition des zones rigides et les caractéristiques des vortex dans le domaine d'écoulement. En ce qui concerne les écoulements viscoplastiques, nos expériences montrent que notre approche basée sur l'utilisation de la méthode de multigrille comme procédure d'initialisation apporte une contribution significative en surpassant la méthode classique à grille unique. Par la suite, nous avons choisi diverses teneurs et concentrations en minerai de phosphate pour cette étude rhéologique. Nous avons établi des protocoles expérimentaux pour déterminer les caractéristiques principales de ces fluides complexes et avons établi des modèles rhéologiques appropriés dans le but de simuler l'écoulement numérique dans un pipeline cylindrique. Les rhéogrammes de ces boues ont été obtenus à l'aide d'un rhéomètre rotatif et ont été modélisés avec précision en utilisant les modèles couramment employés pour le comportement pseudo-plastique à seuil. Les résultats démontrent que la concentration en solides d'un mélange solide-liquide peut être augmentée tout en conservant une viscosité apparente souhaitée. Par la suite, un nouveau modèle rhéologique pour l'écoulement des suspensions phosphate-eau a été proposé et s'est révélé être en accord avec les données expérimentales. Le modèle proposé a ensuite été intégré au code numérique OpenFoam. Les résultats démontrent que le modèle est capable de reproduire le comportement rhéologique des suspensions de phosphate à faibles et hautes concentrations en le comparant avec des modèles adaptés pour la modélisation du comportement rhéologique des suspensions de phosphate. Le modèle proposé peut offrir une voie pour la simulation précise et la gestion des écoulements de boue de phosphate. Les contributions globales de ce travail comblent une lacune significative dans la compréhension et la simulation actuelles de l'écoulement de la boue de minerai de phosphate En particulier, en matière logistique, l’OCP SA dispose du plus long pipeline de transport du phosphate au monde. Reliant le site minier de Khouribga-Maroc à la plate-forme de transformation de Jorf Lasfar-Maroc sur une longueur de 235 kilomètres, le Slurry Pipeline se veut une prouesse d’ingénierie qui permettra au groupe de doubler sa capacité de transport minier, de réduire ses dépenses en énergie et de diminuer considérablement la perte de phosphate tout au long de la chaîne de production. D’où la nécessité de comprendre les phénomènes physiques liés à ce mode de transport et de caractériser le comportement rhéologique de ce type de fluide.En particulier, concernant le Slurry pipeline, un enjeu majeur est le bon fonctionnement du pompage menacé par des problèmes techniques, notamment, des problèmes bouchages. Afin de prédire le comportement du fluide dans les conduites, une modélisation représentant l’écoulement est possible. Apparaît alors un problème modélisé mathématiquement par des équations dérivées des équations de Navier-Stockes

Parallel adaptive procedure for CFD simulations

The present paper describes a parallel unstructured-mesh Plasma simulation code based on Finite Volume method. The code dynamically refines and coarses mesh for accurate resolution of the different features regarding the electron density. Our purpose is to examine the performance of a new Parallel Adaptive Mesh Refinement (PAMR) procedure introduced on the ADAPT platform, which resolves of a relatively complicated system coupling the flow partial differential equations to the Poisson's equation. The implementation deals with the MUMPS parallel multi-frontal direct solver and mesh partitioning methods using METIS to improve the performance of the framework. The standard MPI is used to establish communication between processors. Performance analysis of the PAMR procedure shows the efficiency and the potential of the method for the propagation equations of ionization waves

A New Rheological Model for Phosphate Slurry Flows

In this paper, a new rheological model for the flow of phosphate-water suspensions is proposed. The model’s ability to replicate the rheological characteristics of phosphate-water suspensions under different shear rate conditions is evaluated using rheometric tests, and it is found to be in good agreement with experimental data. A comprehensive methodology for obtaining the model parameters is presented. The proposed model is then incorporated into the OpenFoam numerical code. The results demonstrate that the model is capable of reproducing the rheological behavior of phosphate suspensions at both low and high concentrations by comparing it with suitable models for modeling the rheological behavior of phosphate suspensions. The proposed model can be applied to simulate and monitor phosphate slurry flows in industrial applications

Numerical Study of Viscoplastic Flows Using a Multigrid Initialization Algorithm

In this paper, an innovative methodology to handle the numerical simulation of viscoplastic flows is proposed based on a multigrid initialization algorithm in conjunction with the SIMPLE procedure. The governing equations for incompressible flow, which consist of continuity and momentum equations, are solved on a collocated grid by combining the finite volume discretization and Rhie and chow interpolation for pressure–velocity coupling. Using the proposed solver in combination with the regularization scheme of Papanastasiou, we chose the square lid-driven cavity flow and pipe flow as test cases for validation and discussion. In doing so, we study the influence of the Bingham number and the Reynolds number on the development of rigid areas and the features of the vortices within the flow domain. Pipe flow results illustrate the flow’s response to the stress growth parameter values. We show that the representation of the yield surface and the plug zone is influenced by the chosen value. Regarding viscoplastic flows, our experiments demonstrate that our approach based on using the multigrid method as an initialization procedure makes a significant contribution by outperforming the classic single grid method. A computation speed-up ratio of 6.45 was achieved for the finest grid size (320 × 320)

Rheological Characterization of a Concentrated Phosphate Slurry

International audiencePhosphate ore slurry is a suspension of insoluble particles of phosphate rock, the primary raw material for fertilizer and phosphoric acid, in a continuous phase of water. This suspension has a non-Newtonian flow behavior and exhibits yield stress as the shear rate tends toward zero. The suspended particles in the present study were assumed to be noncolloidal. Various grades and phosphate ore concentrations were chosen for this rheological investigation. We created some experimental protocols to determine the main characteristics of these complex fluids and established relevant rheological models with a view to simulate the numerical flow in a cylindrical pipeline. Rheograms of these slurries were obtained using a rotational rheometer and were accurately modeled with commonly used yield-pseudoplastic models. The results show that the concentration of solids in a solid–liquid mixture could be increased while maintaining a desired apparent viscosity. Finally, the design equations for the laminar pipe flow of yield pseudoplastics were investigated to highlight the role of rheological studies in this context