Solución analítica al problema de construcción de interfaz lineal por partes y su aplicación en el cálculo de curvatura para códigos de simulación de volumen de fluido
Autores: Lehmann, Moritz; Gekle, Stephan
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2022
Acceso abierto
Artículo científico
2022
Solución analítica al problema de construcción de interfaz lineal por partes y su aplicación en el cálculo de curvatura para códigos de simulación de volumen de fluido
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería de Sistemas
Palabras clave
Problema de intersección avión-cubo
PLIC
Solución analítica
Dinámica de fluidos computacional
Soluciones iterativas
Modelo de Volumen-de-Fluido
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 30
Citaciones: Sin citaciones
El problema de intersección plano-cubo ha sido discutido en la literatura desde 1984 y soluciones iterativas a este se han utilizado como parte de la construcción de interfaces lineales por partes (PLIC) en códigos de simulación de dinámica de fluidos computacional desde entonces. En muchos casos, PLIC es el cuello de botella de estas simulaciones en cuanto al tiempo de computación, por lo que una solución analítica más rápida a la intersección plano-cubo reduciría significativamente el tiempo de computación para tales simulaciones. Derivamos una solución analítica para todos los casos de intersección y la comparamos con la solución anterior de Scardovelli y Zaleski (Scardovelli, R.; Zaleski, S. Relaciones analíticas que conectan interfaces lineales y fracciones de volumen en rejillas rectangulares.), que mejoramos aún más para incluir casos límite y micro-optimizamos para reducir operaciones aritméticas y ramificaciones. Luego extendemos nuestra comparación en cuanto al tiempo de computación y precisión para incluir dos soluciones iterativas diferentes también. Encontramos que la mejor elección depende de la plataforma de hardware utilizada: en la CPU, Newton-Raphson es el más rápido con la optimización del compilador habilitada, mientras que las soluciones analíticas son mejores que las soluciones iterativas sin ella. En la GPU, el método más rápido es nuestra versión optimizada de la solución analítica SZ. Finalmente, proporcionamos detalles sobre una de las aplicaciones del cálculo de curvatura PLIC para el modelo Volumen-de-Fluido utilizado para simulaciones de fluidos en superficie libre en combinación con el método de Boltzmann en la red.
Descripción
El problema de intersección plano-cubo ha sido discutido en la literatura desde 1984 y soluciones iterativas a este se han utilizado como parte de la construcción de interfaces lineales por partes (PLIC) en códigos de simulación de dinámica de fluidos computacional desde entonces. En muchos casos, PLIC es el cuello de botella de estas simulaciones en cuanto al tiempo de computación, por lo que una solución analítica más rápida a la intersección plano-cubo reduciría significativamente el tiempo de computación para tales simulaciones. Derivamos una solución analítica para todos los casos de intersección y la comparamos con la solución anterior de Scardovelli y Zaleski (Scardovelli, R.; Zaleski, S. Relaciones analíticas que conectan interfaces lineales y fracciones de volumen en rejillas rectangulares.), que mejoramos aún más para incluir casos límite y micro-optimizamos para reducir operaciones aritméticas y ramificaciones. Luego extendemos nuestra comparación en cuanto al tiempo de computación y precisión para incluir dos soluciones iterativas diferentes también. Encontramos que la mejor elección depende de la plataforma de hardware utilizada: en la CPU, Newton-Raphson es el más rápido con la optimización del compilador habilitada, mientras que las soluciones analíticas son mejores que las soluciones iterativas sin ella. En la GPU, el método más rápido es nuestra versión optimizada de la solución analítica SZ. Finalmente, proporcionamos detalles sobre una de las aplicaciones del cálculo de curvatura PLIC para el modelo Volumen-de-Fluido utilizado para simulaciones de fluidos en superficie libre en combinación con el método de Boltzmann en la red.