Un algoritmo rápido de presión-corrección híbrido para simular flujos incompresibles mediante métodos de proyección
Autores: Fang, Jiannong
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2023
Acceso abierto
Artículo científico
2023
Un algoritmo rápido de presión-corrección híbrido para simular flujos incompresibles mediante métodos de proyección
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería de Software
Palabras clave
Conservación
Ecuación de Poisson de presión
Flujo de fluido incompresible
Métodos de proyección
Algoritmo de corrección de presión
Simulación numérica
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 37
Citaciones: Sin citaciones
Para hacer cumplir el principio de conservación de la masa, surge una ecuación de Poisson de presión en la solución numérica del flujo de fluidos incompresibles utilizando algoritmos segregados basados en la presión, como los métodos de proyección. Para flujos no estacionarios, la ecuación de Poisson de presión se resuelve en cada paso de tiempo generalmente en el espacio físico utilizando solucionadores iterativos, y el gradiente de presión resultante se aplica luego para hacer que el campo de velocidad sea libre de divergencias. En general, se acepta que esta etapa de corrección de presión es la parte más demorada del solucionador de flujo y cualquier aceleración significativa contribuiría de manera significativa a la eficiencia computacional general. El objetivo del presente trabajo fue desarrollar un algoritmo de corrección de presión híbrido rápido para la simulación numérica de flujos incompresibles alrededor de obstáculos en el contexto de los métodos de proyección. La idea clave es adoptar diferentes métodos/discretizaciones numéricas en los subpasos de los métodos de proyección. Aquí, se eligió un método de proyección de marcha en el tiempo de segundo orden clásico, que consta de dos subpasos, con el fin de demostración. En el primer subpaso, las ecuaciones de momento se discretizaron en mallas no estructuradas y se resolvieron mediante métodos numéricos convencionales, aquí un método sin malla. En el segundo subpaso (corrección de presión), el algoritmo propuesto adopta un sistema de doble discretización y combina la aproximación de mínimos cuadrados ponderados con la esencia de los métodos de frontera inmersa. Este diseño nos permitió desarrollar un solucionador basado en FFT para acelerar la solución de la ecuación de Poisson de presión para casos de flujo con obstáculos, manteniendo la implementación de las condiciones de contorno para las ecuaciones de momento tan fácil como lo hacen los métodos numéricos convencionales con mallas no estructuradas. Se realizaron experimentos numéricos de cinco casos de prueba para verificar y validar el algoritmo híbrido propuesto y evaluar su rendimiento computacional. Los resultados mostraron que el nuevo algoritmo híbrido basado en FFT funciona y es robusto, y fue significativamente más rápido que el método de referencia basado en multigrid. El algoritmo híbrido abre un camino para el desarrollo de solucionadores de dinámica de fluidos computacionales paralelos de alto rendimiento de próxima generación para flujos incompresibles.
Descripción
Para hacer cumplir el principio de conservación de la masa, surge una ecuación de Poisson de presión en la solución numérica del flujo de fluidos incompresibles utilizando algoritmos segregados basados en la presión, como los métodos de proyección. Para flujos no estacionarios, la ecuación de Poisson de presión se resuelve en cada paso de tiempo generalmente en el espacio físico utilizando solucionadores iterativos, y el gradiente de presión resultante se aplica luego para hacer que el campo de velocidad sea libre de divergencias. En general, se acepta que esta etapa de corrección de presión es la parte más demorada del solucionador de flujo y cualquier aceleración significativa contribuiría de manera significativa a la eficiencia computacional general. El objetivo del presente trabajo fue desarrollar un algoritmo de corrección de presión híbrido rápido para la simulación numérica de flujos incompresibles alrededor de obstáculos en el contexto de los métodos de proyección. La idea clave es adoptar diferentes métodos/discretizaciones numéricas en los subpasos de los métodos de proyección. Aquí, se eligió un método de proyección de marcha en el tiempo de segundo orden clásico, que consta de dos subpasos, con el fin de demostración. En el primer subpaso, las ecuaciones de momento se discretizaron en mallas no estructuradas y se resolvieron mediante métodos numéricos convencionales, aquí un método sin malla. En el segundo subpaso (corrección de presión), el algoritmo propuesto adopta un sistema de doble discretización y combina la aproximación de mínimos cuadrados ponderados con la esencia de los métodos de frontera inmersa. Este diseño nos permitió desarrollar un solucionador basado en FFT para acelerar la solución de la ecuación de Poisson de presión para casos de flujo con obstáculos, manteniendo la implementación de las condiciones de contorno para las ecuaciones de momento tan fácil como lo hacen los métodos numéricos convencionales con mallas no estructuradas. Se realizaron experimentos numéricos de cinco casos de prueba para verificar y validar el algoritmo híbrido propuesto y evaluar su rendimiento computacional. Los resultados mostraron que el nuevo algoritmo híbrido basado en FFT funciona y es robusto, y fue significativamente más rápido que el método de referencia basado en multigrid. El algoritmo híbrido abre un camino para el desarrollo de solucionadores de dinámica de fluidos computacionales paralelos de alto rendimiento de próxima generación para flujos incompresibles.