Parallel algorithms for computational fluid dynamics on unstructured meshes
- Autores: Ricard Borrell Pol
- Directores de la Tesis: Asensio Oliva Llena (dir. tes.), Guillem Colomer Rey (dir. tes.), Ivette Maria Rodríguez Pérez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2012
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Antonio Pascau Benito (presid.), Joaquim Rigola Serrano (secret.), Roeland Verstappen (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
La simulació numèrica directa (DNS) de fluxos complexes és actualment una utopia per la majoria d'aplicacions industrials ja que els requeriments computacionals son massa elevats. Donat un flux, la diferència entre els recursos computacionals necessaris i els disponibles és cobreix mitjançant la modelització/simplificació d'alguns termes de les equacions originals que regeixen el seu comportament. El creixement continuat dels recursos computacionals disponibles, principalment en forma de super-ordinadors, contribueix a reduir la part del flux que és necessari aproximar. De totes maneres, obtenir la eficiència esperada dels nous super-ordinadors no és una tasca senzilla i, per aquest motiu, part de la recerca en el camp de la Mecànica de Fluids Computacional es centra en aquest objectiu. En aquest sentit, algunes contribucions s'han presentat en el marc d'aquesta tesis. El primer objectiu va ser el desenvolupament d'un codi de CFD de propòsit general i paral·lel, basat en la metodologia de volums finits en malles no estructurades, per resoldre problemes de multi-física. Aquest codi, anomenat TermoFluids (TF), té un disseny orientat a objectes i pensat per ser usat de forma altament eficient en els super-ordinadors actuals. Amb el temps, ha esdevingut pel grup una eina fonamental en projectes tant de recerca bàsica com d'interès industrial. En el context d'aquesta tesis, el treball s'ha focalitzat en el desenvolupament de dos de les llibreries més bàsiques de TermoFluids: i) La Basics Objects Library (BOL), que es una plataforma de software sobre la qual estan programades la resta de llibreries del codi, i que conté els mètodes algebraics i geomètrics fonamentals per la implementació paral·lela dels algoritmes de discretització, ii) la Linear Solvers Library (LSL), que conté un gran nombre de mètodes per resoldre els sistemes d'equacions lineals derivats de les discretitzacions. El primer capítol d'aquesta tesi conté les principals idees subjacents al disseny i la implementació de la BOL i la LSL, juntament amb alguns exemples i algunes aplicacions industrials. En els capítols posteriors hi ha una explicació detallada de solvers específics per algunes aplicacions concretes. En el segon capítol, es presenta un solver paral·lel i directe per la resolució de l'equació de Poisson per casos en els quals una de les direccions del domini té condicions d'homogeneïtat. En la simulació de fluxos incompressibles, l'equació de Poisson es resol almenys una vegada en cada pas de temps, convertint-se en una de les parts més costoses i difícils de paral·lelitzar del codi. El mètode que proposem és una combinació d'una descomposició directa de Schur (DDS) i una diagonalització de Fourier. La darrera descompon el sistema original en un conjunt de sub-sistemes 2D independents que es resolen mitjançant l'algorisme DDS. Atès que no s'imposen restriccions a les direccions no periòdiques del domini, aquest mètode és aplicable a la resolució de problemes discretitzats mitjançat l'extrusió de malles 2D no estructurades. L'escalabilitat d'aquest mètode ha estat provada amb èxit amb un màxim de 8192 CPU per malles de fins a ~10? volums de control. En el darrer capitol capítol, es presenta un mètode de resolució per l'equació de Transport de Boltzmann (BTE). La estratègia emprada es basa en el mètode d'Ordenades Discretes i pot ser aplicat en discretitzacions no estructurades. El flux per a cada ordenada angular es resol amb un mètode de substitució equivalent a la resolució d'un sistema lineal triangular. La naturalesa seqüencial d'aquest procés fa de la paral·lelització de l'algoritme el principal repte. Diversos algorismes de substitució han estat analitzats, esdevenint una de les heurístiques proposades la millor opció en totes les situacions analitzades, amb excel·lents resultats. Els testos d'eficiència paral·lela s'han realitzat usant fins a 2560 CPU.
