Simulation of a single-phase turbulent jet using the lattice boltzmann method - Knippenberg, Leonardo Demmer (2025)
Apresento uma abordagem para modelar um jato monofásico turbulento e as condições de contorno do escoamento utilizando o método do Lattice Boltzmann (LBM). O método emprega uma versão regularizada da equação de Boltzmann que incorpora uma formulação para o operador de colisão BGK. A reconstrução de populações de partículas regularizadas é baseada em momentos de quarta ordem da função de distribuição com base na aplicação dos polinômios de Hermite. Baseado no trabalho de Hegele et al. (Phys. Rev. E 98, 043302, 2018), nossa abordagem reconstrói momentos desconhecidos por meio de populações de partículas conhecidas nos limites das condições de contorno, levando a um sistema de equações resolvidas de acordo com o método. A malha tridimensional D3Q19 e D3Q27 é considerada para a solução do fluxo do jato como um teste de referência. A comparação com soluções da literatura demonstra concordância, validando a eficácia do método proposto. O modelo de alta ordem é testado para um escoamento com Re = 2000 em um domínio periódico para as faces paralelas ao escoamento do fluido. O método Lattice Boltzmann permite a realização de simulações de escoamentos estáveis com baixos níveis de viscosidade, o que possibilita a obtenção de um Re alto. O modelo proposto permite a realização de uma simulação de alto desempenho para testar a capacidade de processamento de uma GPU e obter resultados precisos em um período de tempo relativamente curto em comparação com outros métodos de simulação de escoamento de um fluido. A malha usada para a simulação tem [256, 1028, 256] pontos de rede em [x, y, z] para um sistema de coordenadas cartesianas, resultando em um total de 6,7 x 10⁷ cálculos realizados por etapa de tempo em um período de 9000 segundos, o que resulta em um total de 7485 operações por segundo. Por fim, os resultados obtidos mostram compatibilidade com os resultados experimentais e é possível confirmar que o benchmark realizado tem um alto nível de processamento, mantendo a precisão.