Estruturas de dados topológicas aplicadas em simulações de escoamentos compressíveis utilizando volumes finitos e métodos de alta ordem

• Autor(a) principal: Barbosa, Fernanda Paula
• Data de Publicação: 2012
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
• Texto Completo: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/55/55134/tde-03042013-100331/
• topic: Data structures; Estrutura de dados; Finite volume and high-order methods; Volumes finitos e métodos de alta ordem

A representação de malhas por meio de estrutura de dados e operadores topológicos e um dos focos principais da modelagem geométrica, onde permite uma implementação robusta e eficiente de mecanismos de refinamento adaptativo, alinhamento de células e acesso as relações de incidência e adjacência entre os elementos da malha, o que é de grande importância na maioria das aplicações em mecânica dos fluidos. No caso de malhas não estruturadas, a não uniformidade da decomposição celular e melhor representada por uma estrategia mais sofisticada, que são as estruturas de dados topológicas. As estruturas de dados topológicas indexam elementos de uma malha representando relações de incidência e adjacência entre elementos, garantindo acesso rápido às informações. Um dos aspectos mais comuns aos problemas tratados pela mecânica dos fluidos computacional é a complexidade da geometria do domínio onde ocorre o escoamento. O uso de estruturas de dados para manipular malhas computacionais e de grande importância pois realiza de modo eficiente as consultas às informações da malha e centraliza todas as operações sobre a malha em um único módulo, possibilitando sua extensão e adaptação em diversas situações. Este trabalho visou explorar o acoplamento de uma estrutura de dados topológica, a Mate Face, em um módulo simulador existente, de modo a gerenciar todos os acessos à malha e dispor operações e iteradores para pesquisas complexas nas vizinhanças de cada elemento na malha. O módulo simulador resolve as equações governantes da mecânica dos fluidos através da técnica de volumes finitos. Foi utilizada uma formulação que atribui os valores das propriedades aos centroides dos volumes de controle, utiliza métodos de alta ordem, os esquemas ENO e WENO, que tem a finalidade de capturar com eficiência descontinuidades presentes em problemas governados por equações diferenciais parciais hiperbólicas. As equações de Euler em duas dimensões representam os escoamentos de interesse no presente trabalho. O acoplamento da estrutura de dados Mate Face ao simulador foi realizada através da criação de uma biblioteca desenvolvida que atua como uma interface de comunicação entre os dois módulos, a estrutura de dados e o simulador, que foram implementados em diferentes linguagens de programação. Deste modo, todas as funcionalidades existentes na Mate Face tornaram-se acessíveis ao simulador na forma de procedimentos. Um estudo sobre malhas dinâmicas foi realizado envolvendo o método das molas para movimentação de malhas simulando-se operações de arfagem. A idéia foi verificar a aplicabilidade deste método para auxiliar simulações de escoamentos não estacionarios. Uma outra vertente do trabalho foi estender a estrutura Mate Face de forma a representar elementos não suportados a priori, de modo a flexibilizar o seu uso em simulações de escoamentos baseados no método de volumes finitos espectrais. O método dos volumes espectrais e utilizado para se obter alta resolução espacial do domínio computacional, que também atribui valores das propriedades aos centroides dos volumes de controle, porém, os volumes de controle são particionados em volumes menores de variadas topologias. Assim, uma extensão da Mate Face foi desenvolvida para representar a nova malha para a aplicação do método, representando-se cada particionamento localmente em cada volume espectral. Para todas as etapas deste trabalho, realizaram-se experimentos que validaram a utilizaação da estrutura de dados Mate Face junto a métodos numéricos. Desta forma, a estrutura pode auxiliar as ferramentas de simulações de escoamentos de fluidos no gerenciamento e acesso à malha computacional