Simulação Numérica de Escoamentos com Superfícies Livres Empregando o Método Weakly Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics (WCSPH)e o Processamento em Paralelo com Unidades de Processamento Gráfico e a API Cuda

Helio Pedro Amaral Souto, Josecley Fialho Góes, Marciana Lima Góes

Abstract


Neste trabalho, é feita uma introdução ao método lagrangiano de partículas, livre de malhas, Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) voltado para a simulação numérica de escoamentos de fluidos newtonianos compressíveis e quase-incompressíveis. A busca pelas partículas vizinhas, dependendo do algoritmo utilizado, pode chegar a um custo computacional da ordem de N^2, onde N é a quantidade de partículas usada na simulação numérica. Portanto, buscou-se desenvolver um simulador numérico, paralelizado empregando-se a Application Programming Interface (API) Compute Unified Device Architecture (CUDA). A CUDA possibilita o processamento em paralelo empregando os núcleos das Graphics Processing Units (GPUs) das placas de vídeo. Os resultados numéricos foram validados considerando-se a resolução do problema do escoamento, bidimensional e tridimensional, de um fluido newtoniano, em um vertedouro com degraus de uma barragem.

Keywords


CUDA; Dinâmica dos Fluidos Computacional; Métodos de partículas; Smoothed Particle Hydrodynamics

References


ANTUONO, M., COLAGROSSI, A., MARRONE, S., MOLTENI, D. (2010). Free-surface flows solved by means of SPH schemes with numerical diffusive terms. Computer Physics Communications, 181(3), 532–549.

ANTUONO, M., COLAGROSSI, A., MARRONE, S. (2012). Numerical diffusive terms in weakly-compressible SPH schemes. Computer Physics Communications, 183(12), 2570 – 2580.

ARANTES, E. J. (2007). Caracterização do escoamento sobre vertedouros com degraus via CFD. Tese de Doutorado, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos.

CHANSON, H., TOOMBES, L. (2002). Air–water flows down stepped chutes: turbulence and flow structure observations. International Journal of Multiphase Flow, 28(11), 1737–1761.

CHANSON, H., TOOMBES, L. (2003). Strong interactions between free-surface aeration and turbulence in an open channel flow. Experimental Thermal and Fluid Science, 27(5), 525 – 535.

CHANSON, H., TOOMBES, L. (2004). Hydraulics of stepped chutes: The transition flow. Jornal of Hydraulic Research, 42(1), 43–54.

CHENG, X., GULLIVER, J. S., ZHU, D. (2014). Application of displacement height and surface roughness length to determination boundary layer development length over stepped spillway. Water, 6(12), 3888.

CONTERATO, E. (2014). Determinação de critérios de dimensionamento de soleira terminal em bacia de dissipação

a jusante de vertedouro em degraus. Dissertação de Mestrado, Instituto de Pesquisas Hidráulicas, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre.

CRESPO, A. J. C. (2008). Application of the smoothed particle hydrodynamics model SPHysics to free surface hydrodynamics. Tese de Doutorado, Universidade de Vigo.

DALRYMPLE, R., ROGERS, B. (2006). Numerical modeling of water waves with the SPH method. Coastal Engineering, 53(2–3), 141 – 147.

FEDERICO, I., MARRONE, S., COLAGROSSI, A., ARISTODEMO, F., ANTUONO, M. (2012). Simulating 2D open-channel flows through an SPH model. European Journal of Mechanics - B/Fluids, 34, 35–46.

FILL, G. C. (2011). Modelagem hidrodinâmica 3D de escoamentos em vertedouros. Dissertação de Mestrado, Setor de Tecnologia, Universidade Federal do Paraná, Curitiba.

GINGOLD, R. A., MONAGHAN, J. J. (1982). Kernel estimates as a basis for general particle method in hydrodynamics. Journal of omputational Physics, (46), 429–453.

GÓES, J. F. (2011). Resolução numérica de escoamentos compressíveis empregando um método de partículas livre de malhas e o processamento paralelo (CUDA). Mestrado em Modelagem Computacional, Instituto Politécnico, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro.

GÓES, J. F., GÓES, M. L., AMARAL SOUTO, H. P. (2014). Estudo comparativo das versões serial e paralela (CUDA) do método SPH empregando-se uma técnica iterativa para a determinação do campo de pressões. Em: Anais do XXXV Ibero Latin American Congress on Computational Methods in Engineering, Fortaleza, CE.

GONZÁLES, C. A. (2005). An experimental study of freesurface aeration on embankment stepped chutes. Tese de Doutorado, Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, Physical Sciences and Architecture, The University of Queensland, Brisbane, Australia.

GOTOH, H., SHAO, S., MEMITA, T. (2004). SPH-LES model for numerical investigation of wave interaction with partially immersed breakwater. Coastal Engineering Journal, 46(01), 39–63.

HEIDARI, A., GHASEMI, P. (2014). Evaluation of steps slope on nergy dissipation in stepped spillway. International Journal of Engineering & Technology, 3(4), 501.

LEE, E. S., MOULINEC, C., XU, R., VIOLEAU, D., LAURENCE, D.,

STANSBY, P. (2008). Comparisons of weakly compressible and truly incompressible algorithms for the SPH mesh free particle method. Journal of Computational Physics, 227(18), 8417–8436.

LI, S. (2004). Meshfree particle methods. Springer, Berlin; New York.

LIU, G. R. (2002). Mesh free methods: moving beyond the finite element method. CRC Press, Boca Raton Fla..

LIU, G. R. (2003). Smoothed particle hydrodynamics: A Meshfree Particle Method. World Scientific, Singapore.

LO, E. Y., SHAO, S. (2002). Simulation of near-shore solitary wave mechanics by an incompressible SPH method. Applied Ocean Research, 24(5), 275 – 286.

Lobosco, R. J., Schulz, H. E. (2010). Análise computacional do escoamento em estruturas de vertedouros em degraus. Mecánica Computacional, Asociación Argentina de Mecánica Computacional, XXIX.

LUCY, L. B. (1977). Numerical approach to testing the fission hypothesis. Astronomical Journal, (82), 1013–1024.

MALIDI, A., DUFOUR, S., N’DRI, D. (2005). A study of time integration schemes for the numerical modelling of free surface flows. Int J Numer Meth Fluids, (48), 1123–1147.

MARRONE, S., ANTUONO, M., COLAGROSSI, A., COLICCHIO, G.,

TOUZÉ, D. L., GRAZIANI, G. (2011). δ-SPH model for simulating violent impact flows. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 200(13–16), 1526 – 1542.

MARRONE, S., COLAGROSSI, A., ANTUONO, M., COLICCHIO, G.,

GRAZIANI, G. (2013). An accurate SPH modeling of viscous flows around bodies at low and moderate Reynolds numbers. Journal of Computational Physics, 245(July), 456–475.

MOLTENI, D., COLAGROSSI, A. (2009). A simple procedure to

improve the pressure evaluation in hydrodynamic context using the SPH. Computer Physics Communications, 180(6), 861 – 872.

MONAGHAN, J. J. (1989). On the problem of penetration in particle methods. Journal of Computational Physics, 82, 1–15.

MONAGHAN, J. J. (1994). Simulating free surface flow with SPH. Journal of Computational Physics, 110, 399–406.

NVIDIA (2016a). CUDA SAMPLES: Reference Manual. NVIDIA Corporation, version 7.5 edn.

NVIDIA (2016b). NVIDIA CUDA C: Programming Guide. NVIDIA Corporation, version 7.5 edn.

OZBULUT, M., YILDIZ, M., GOREN, O. (2014). A numerical investigation into the correction algorithms for SPH method in modeling violent free surface flows. International Journal of Mechanical Sciences, 79, 56 – 65.

PETERKA, A. J. (1957). Hydraulic design of stilling basins and energy dissipation. Washington US Govt.

DALRYM PLE, R., KNIO, O. (2001). SPH modelling of water waves. Proc Coastal Dynamics, p 779–787.

PRÁ, M. D., SUZUKI, L. E. A., ALVES, A. A. M., MARQUES, M. G. (2012). Um estudo sobre vertedouros em degraus de declividade 1V:1H. Associação Portuguesa de Recursos Hídricos, 33(01), 17–28.

RICARDO, A. M., CANELAS, R. B., FERREIRA, R. M. L. (2016). Characterization of vortex interaction with Lagrangian Coherent Structures. River Flow 2016, Taylor & Francis Group.

ROBER, N. (2014). Paraview tutorial: for the visualization of Earth - and climate science data.

SANAGIOTTO, D. G. (2003). Características do escoamento sobre vertedouros em degraus de declividade 1V:0,75H. Dissertação de Mestrado, Instituto de Pesquisas Hidráulicas, Universidade Federal do

Rio Grande do Sul, Porto Alegre.

SHADLOO, M. S., ZAINALI, A., YILDIZ, M., SULEMAN, A. (2012).

A robust weakly compressible SPH method and its comparison with an incompressible SPH. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 89(8), 939–956.

SIMÕES, A. L. A. (2008). Considerações sobre a hidráulica de vertedouros em degraus. Dissertação de Mestrado, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos.

SOLENTHALER, B., PAJAROLA, R. (2009). Predictive-corrective incompressible SPH. ACM Transactions on Graphics, 28(3), 1.

TOZZI, M. (1992). Caracterização/comportamento de escoamentos em vertedouros com paramento em degraus. Tese de Doutorado, USP, São Paulo.

TOZZI, M. (2004). Vertedouros em degraus. Da Vinci, 1(1),9–27.




DOI: http://dx.doi.org/10.5902/2179460X24887

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