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

• Ano de defesa: 2016
• Autor(a) principal: Góes, Josecley Fialho
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade do Estado do Rio de Janeiro; Centro de Tecnologia e Ciências::Instituto Politécnico; BR; UERJ; Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional
• Palavras-chave em Português: Computational fluid dynamics; CUDA; Particle Methods; Smoothed Particle Hydrodynamics; GPU/CUDA; Dinâmica dos Fluidos Computacional; Métodos de partículas; Escoamento instável (Dinâmica dos fluidos); Fluidos newtonianos; Cálculos numéricos Programas de computador; Métodos de simulação; Partículas Escoamento Métodos de simulação; CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::MATEMATICA::MATEMATICA APLICADA
• Link de acesso: http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/13704

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.