Un algoritmo IBM-PISO superpuesto con un solucionador de Poisson basado en FFT para simulaciones paralelas de flujo incompresible
Autores: Lian, Jiacheng; Yao, Qinghe; Jiang, Zichao
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Un algoritmo IBM-PISO superpuesto con un solucionador de Poisson basado en FFT para simulaciones paralelas de flujo incompresible
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Método de frontera inmersa
Presión implícita con operador dividido
Algoritmo PISO
Transformada rápida de Fourier
Optimización de superposición de comunicación
Escalabilidad
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
Este estudio aborda los desafíos computacionales en el método de frontera inmersa (IBM) con el algoritmo de presión implícita con operador dividido (PISO) para simular flujos incompresibles. Introducimos un novedoso método de división de pasos de tiempo para implementar la optimización de superposición de comunicación, con el objetivo de reducir los costos dominados por el solucionador de Poisson de presión. Utilizando un enfoque basado en transformada rápida de Fourier (FFT), la ecuación de Poisson se resuelve de manera eficiente con una complejidad de O(NlogN). Nuestro método entrelaza los cálculos de fuerza de IBM con las fases de Poisson, empleando comunicación asíncrona para superponer la computación con intercambios de datos globales. Esto reduce la sobrecarga de comunicación, mejorando la escalabilidad. La validación a través de simulaciones de referencia, incluyendo el flujo alrededor de un cilindro y flujos cargados de partículas, muestra una eficiencia y precisión mejoradas comparables con métodos tradicionales. Implementado en un solucionador personalizado en C++ utilizando la biblioteca FFTW, las pruebas indican una aceleración sustancial, con resultados que muestran un aumento de velocidad del 40% y menos del 3% de desviación en los coeficientes de arrastre y sustentación. Esta investigación proporciona una herramienta de simulación eficiente y prometedora para flujos complejos.
Descripción
Este estudio aborda los desafíos computacionales en el método de frontera inmersa (IBM) con el algoritmo de presión implícita con operador dividido (PISO) para simular flujos incompresibles. Introducimos un novedoso método de división de pasos de tiempo para implementar la optimización de superposición de comunicación, con el objetivo de reducir los costos dominados por el solucionador de Poisson de presión. Utilizando un enfoque basado en transformada rápida de Fourier (FFT), la ecuación de Poisson se resuelve de manera eficiente con una complejidad de O(NlogN). Nuestro método entrelaza los cálculos de fuerza de IBM con las fases de Poisson, empleando comunicación asíncrona para superponer la computación con intercambios de datos globales. Esto reduce la sobrecarga de comunicación, mejorando la escalabilidad. La validación a través de simulaciones de referencia, incluyendo el flujo alrededor de un cilindro y flujos cargados de partículas, muestra una eficiencia y precisión mejoradas comparables con métodos tradicionales. Implementado en un solucionador personalizado en C++ utilizando la biblioteca FFTW, las pruebas indican una aceleración sustancial, con resultados que muestran un aumento de velocidad del 40% y menos del 3% de desviación en los coeficientes de arrastre y sustentación. Esta investigación proporciona una herramienta de simulación eficiente y prometedora para flujos complejos.