Simulação numérica do escoamento com superfícies livres empregando o método Weakly Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics (WCSPH) e o processamento em paralelo (CUDA)

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Góes, Josecley Fialho
Data de Publicação: 2016
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ
Texto Completo: http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/13704
Resumo: In this work we introduce the Lagrangian meshfree Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method oriented to the numerical simulation of compressible and weaklycompressible flows of Newtonian fluids. In this method, the problem domain is discretized using particles which carry physical properties that are calculated via interpolation, using the kernel function, from the properties of its neighboring particles. Depending on the algorithm used, the search for neighboring particles can reach a computational cost of the order of N², where N is the number of particles used on the numerical simulation. Therefore, we sought to develop a two- and threedimensional numerical simulator parallelized employing the C language and the CUDA parallelization library, Which enables parallel processing using multi-core processors of NVIDIA Graphics Processing Units (GPUs). To increase computational efficiency, access to global memory and data transfer between CPU and GPU was minimized, and float4 type variables were used to allocate the vectors, ensuring the size and alignment requirements of the CUDA library. In addition, the data was referenced to the texture memory. The problem of the Dam Break was simulated in 2D and the results compared with the sphysics, using the developed algorithms. The numerical results were also validated considering the resolution of the flow problem (bi and three-dimensional, respectively) in a spillway with steps. Thus, for the dam break problem it can be observed that there is a good qualitative agreement between the flow patterns and velocity values calculated with the numerical code developed in this work and the results obtained with sphysics for the same instants of time. In addition, a gain in computational efficiency was obtained in the version paralleled with the CUDA library, when compared to the serial version. In relation to the problem of flow in a spillway with two-dimensional steps, it was verified that the numerical simulator accurately reproduced the velocity field and captured the variation of the pressure field in order to prevent the phenomenon of cavitation on the stairs due to the appearance of negative pressures and the three-dimensional version was simulated realistically.
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In this method, the problem domain is discretized using particles which carry physical properties that are calculated via interpolation, using the kernel function, from the properties of its neighboring particles. Depending on the algorithm used, the search for neighboring particles can reach a computational cost of the order of N², where N is the number of particles used on the numerical simulation. Therefore, we sought to develop a two- and threedimensional numerical simulator parallelized employing the C language and the CUDA parallelization library, Which enables parallel processing using multi-core processors of NVIDIA Graphics Processing Units (GPUs). To increase computational efficiency, access to global memory and data transfer between CPU and GPU was minimized, and float4 type variables were used to allocate the vectors, ensuring the size and alignment requirements of the CUDA library. In addition, the data was referenced to the texture memory. The problem of the Dam Break was simulated in 2D and the results compared with the sphysics, using the developed algorithms. The numerical results were also validated considering the resolution of the flow problem (bi and three-dimensional, respectively) in a spillway with steps. Thus, for the dam break problem it can be observed that there is a good qualitative agreement between the flow patterns and velocity values calculated with the numerical code developed in this work and the results obtained with sphysics for the same instants of time. In addition, a gain in computational efficiency was obtained in the version paralleled with the CUDA library, when compared to the serial version. In relation to the problem of flow in a spillway with two-dimensional steps, it was verified that the numerical simulator accurately reproduced the velocity field and captured the variation of the pressure field in order to prevent the phenomenon of cavitation on the stairs due to the appearance of negative pressures and the three-dimensional version was simulated realistically.Neste trabalho apresenta-se o método Lagrangiano de partículas, livre de malhas, Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) que será utilizado para a simulação numérica de escoamentos de fluidos Newtonianos compressíveis e fracamente compressíveis. Neste método, o domínio do problema é discretizado empregando partículas que possuem propriedades físicas que são calculadas a partir das propriedades das suas partículas vizinhas, através de uma interpolação, empregando uma função de suavização. Dependendo do algoritmo utilizado, a busca pelas partículas vizinhas pode chegar a um custo computacional da ordem de N², onde N é a quantidade de partículas usada na simulação numérica. Portanto, buscou-se desenvolver um simulador numérico, nas versões bi e tridimensional, empregando-se a linguagem de programação C e a biblioteca de paralelização CUDA, que possibilita o processamento em paralelo empregando os núcleos das placas de vídeo das Graphics Processing Units (GPUs). Para aumentar a eficiência computacional, o acesso à memória global e a transferência de dados entre a CPU e a GPU foi minimizado e as variáveis do tipo float4 foram usadas para alocar os vetores, garantindo o tamanho e as exigências de alinhamento da biblioteca CUDA. Além disso, os dados foram referenciados para a memória textura. O problema da Quebra de Barragem foi simulado em 2D e os resultados comparados com o SPHYSICS utilizando-se os algoritmos desenvolvidos. Os resultados numéricos também foram validados considerando-se a resolução do problema de escoamento em um vertedouro com degraus de uma barragem bi e tridimensional. Assim, para o problema da Quebra de Barragem pode-se observar, que existe uma boa concordância qualitativa entre os padrões de escoamento e os valores das velocidades calculados com o código numérico desenvolvido neste trabalho e os resultados obtidos com o SPHYSICS para os mesmos instantes de tempo. Além disso, obteve-se um ganho em eficiência computacional na versão paralelizada com a biblioteca CUDA, quando comparado com a versão serial. Em relação ao problema de escoamento em um vertedouro com degraus na versão bidimensional, verificou-se que o simulador numérico reproduziu acuradamente o campo de velocidade e capturou a variação do campo de pressão no sentido de prevenir o fenômeno de cavitação nos degraus em decorrência do surgimento de pressões negativas e a versão tridimensional foi simulada realisticamente.Submitted by Boris Flegr (boris@uerj.br) on 2021-01-07T14:38:32Z No. of bitstreams: 1 Tese_JosecleyFialhoGoes.pdf: 3551633 bytes, checksum: 2e01ca3d727a87296f585b44f754775e (MD5)Made available in DSpace on 2021-01-07T14:38:32Z (GMT). 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description In this work we introduce the Lagrangian meshfree Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method oriented to the numerical simulation of compressible and weaklycompressible flows of Newtonian fluids. In this method, the problem domain is discretized using particles which carry physical properties that are calculated via interpolation, using the kernel function, from the properties of its neighboring particles. Depending on the algorithm used, the search for neighboring particles can reach a computational cost of the order of N², where N is the number of particles used on the numerical simulation. Therefore, we sought to develop a two- and threedimensional numerical simulator parallelized employing the C language and the CUDA parallelization library, Which enables parallel processing using multi-core processors of NVIDIA Graphics Processing Units (GPUs). To increase computational efficiency, access to global memory and data transfer between CPU and GPU was minimized, and float4 type variables were used to allocate the vectors, ensuring the size and alignment requirements of the CUDA library. In addition, the data was referenced to the texture memory. The problem of the Dam Break was simulated in 2D and the results compared with the sphysics, using the developed algorithms. The numerical results were also validated considering the resolution of the flow problem (bi and three-dimensional, respectively) in a spillway with steps. Thus, for the dam break problem it can be observed that there is a good qualitative agreement between the flow patterns and velocity values calculated with the numerical code developed in this work and the results obtained with sphysics for the same instants of time. In addition, a gain in computational efficiency was obtained in the version paralleled with the CUDA library, when compared to the serial version. In relation to the problem of flow in a spillway with two-dimensional steps, it was verified that the numerical simulator accurately reproduced the velocity field and captured the variation of the pressure field in order to prevent the phenomenon of cavitation on the stairs due to the appearance of negative pressures and the three-dimensional version was simulated realistically.
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