Development of a High-Order Parallel Solver for Direct and Large Eddy Simulations of Turbulent Flows
Informazioni sul documento
| Autore | Enrico Maria De Angelis |
| Scuola | Università degli Studi di Napoli “Federico II” |
| Specialità | Ingegneria Industriale |
| Anno di pubblicazione | 2018 |
| Luogo | Napoli |
| Tipo di documento | dissertazione di dottorato |
| Lingua | English |
| Numero di pagine | 146 |
| Formato | |
| Dimensione | 19.24 MB |
- Turbulent Flows
- Computational Fluid Dynamics
- Parallel Computing
Riassunto
I. Introduzione
L'analisi della turbolenza è fondamentale nella dinamica dei fluidi, poiché i flussi laminari rappresentano un'eccezione piuttosto che la regola. L'interesse per questo argomento è cresciuto nel tempo, sia nella comunità accademica che nei laboratori di ricerca e sviluppo industriale. Dal 1883, sono stati compiuti notevoli progressi nella comprensione delle leggi di scala applicate alla turbolenza. Le statistiche hanno fornito intuizioni sui flussi modello, mentre gli approcci numerici sono diventati i più promettenti per risolvere le equazioni di Navier-Stokes non stazionarie ad alto numero di Reynolds. La crescente capacità computazionale ha reso possibile affrontare simulazioni sempre più complesse, ma ha anche aumentato la necessità di ridurre i tempi di calcolo per ottenere soluzioni di alta fedeltà. Un risolutore CFD deve quindi basarsi su modelli fisici appropriati e metodi numerici coerenti per discretizzare le equazioni. Le simulazioni dirette e di grande vorticosità sono due approcci archetipici che, sebbene diversi, mirano a risolvere le strutture del campo di flusso con la massima accuratezza.
1.1 Approcci CFD
Le simulazioni dirette (DNS) e le simulazioni di grande vorticosità (LES) sono metodi 'eddy-resolving' che affrontano la risoluzione accurata delle scale e la conservazione dell'energia. Questi metodi sono essenziali per molti flussi fluidi reali. Tuttavia, la loro applicazione comporta costi computazionali elevati. La parallelizzazione è una soluzione efficace per affrontare questi problemi, consentendo di sfruttare al meglio la potenza computazionale disponibile. La ricerca ha portato allo sviluppo di un risolutore parallelo Navier-Stokes tridimensionale, non stazionario e incomprimibile, che utilizza algoritmi avanzati per risolvere i sistemi lineari derivanti dall'applicazione di schemi di differenza finita di alto ordine.
II. Schemi di Alta Precisione
La necessità di caratteristiche di alta risoluzione è cruciale per garantire l'accuratezza delle simulazioni. Gli schemi di alta precisione, come il Padé, offrono vantaggi significativi nella rappresentazione dei flussi turbolenti. La formulazione generale per il caso simmetrico e l'analisi spettrale sono fondamentali per comprendere come questi schemi possano essere applicati in contesti pratici. L'implementazione di operatori lineari convenienti e formule simmetriche esplicite contribuisce a migliorare l'efficienza computazionale. La valutazione della precisione e della stabilità degli schemi è essenziale per garantire risultati affidabili. L'analisi delle schemi asimmetrici e delle loro applicazioni in contesti di simulazione complessi è un'area di ricerca attiva, con implicazioni dirette per l'industria e la ricerca accademica.
2.1 Importanza della Risoluzione
La risoluzione delle caratteristiche di alta frequenza è fondamentale per la rappresentazione accurata dei flussi. La simulazione di flussi complessi richiede schemi che possano gestire le variazioni rapide e le interazioni tra le scale. L'analisi spettrale e l'applicazione di schemi compatti sono strumenti chiave per affrontare queste sfide. La comprensione delle interazioni tra le scale e l'impatto delle condizioni al contorno sulla precisione globale è cruciale per il successo delle simulazioni. La ricerca continua in questo campo promette di migliorare ulteriormente le capacità dei risolutori CFD.
III. Parallelizzazione dei Sistemi Lineari
La parallelizzazione dei sistemi lineari è un aspetto cruciale per migliorare l'efficienza dei risolutori CFD. L'implementazione di algoritmi di parallelizzazione esatti consente di sfruttare al meglio le architetture multi-processore. L'analisi delle prestazioni di algoritmi come il truncated SPIKE e altre tecniche di parallelizzazione approssimativa offre spunti preziosi per ottimizzare i processi di calcolo. La valutazione della scalabilità e dell'efficienza parallela è essenziale per garantire che i risolutori possano affrontare simulazioni di grande scala. La continua evoluzione delle tecnologie di calcolo parallelo rappresenta un'opportunità significativa per migliorare le capacità dei risolutori CFD e affrontare le sfide della simulazione di flussi turbolenti.
3.1 Algoritmi di Parallelizzazione
L'analisi degli algoritmi di parallelizzazione, come quelli che utilizzano due o più processori, è fondamentale per comprendere come ottimizzare le prestazioni. La valutazione delle prestazioni in scenari reali fornisce indicazioni su come migliorare l'efficienza e ridurre i tempi di calcolo. La ricerca in questo campo è in continua evoluzione, con nuove tecniche e approcci che emergono per affrontare le sfide della simulazione di flussi complessi. La capacità di gestire grandi volumi di dati e di eseguire calcoli complessi in tempo reale è un obiettivo chiave per i futuri sviluppi nel campo della simulazione CFD.
Riferimento del documento
- Development of a high-order parallel solver for Direct and Large Eddy simulations of turbulent flows (Enrico Maria De Angelis)
- High order compact finite difference schemes (Enrico Maria De Angelis)
- Parallel computing (Enrico Maria De Angelis)
- The truncated SPIKE algorithm (Enrico Maria De Angelis)
- Spectral analysis (Enrico Maria De Angelis)