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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

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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


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.

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