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DualSPHysics: towards high performance computing using SPH technique

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DualSPHysics: towards high performance computing using SPH technique

Dominguez Alonso, Jose Manuel
 
DATE : 2014-11-07
UNIVERSAL IDENTIFIER : http://hdl.handle.net/11093/365
UNESCO SUBJECT : 2204 Física de Fluidos ; 1203.26 Simulación ; 2510.07 Oceanografía Física
DOCUMENT TYPE : doctoralThesis

ABSTRACT :

La dinámica de fluidos computacional (CFD) proporciona una valiosa herramienta para la investigación científica. Por un lado permite simular experimentos numéricos en lugar de reproducir experiencias reales que son caras y en algunas ocasiones imposibles de llevarse a cabo con modelos a escala. Por otro lado, proporciona información adicional que no se puede obtener de la observación experimental, lo cual es especialmente valioso cuando el objeto de estudio no es sólo descubrir alguna variable del flujo (como velocidad, presión, etc.) sino también entender los procesos físicos envueltos en el fenómeno. Históricamente, la dinámica de fluidos computacional se ha centrado en métodos que se basan en una malla. Existen dos aproximaciones para describir las ecuaciones físicas que gobiernan estos métodos. La Euleriana y la Lagrangiana. Los métodos de elementos finitos (FEM) son el paradigma de los métodos Lagrangianos en los cuales se asocia una malla al material y ésta se puede deformar imitando la deformación del material. Un claro ejemplo de la descripción Euleriana son los métodos ... [+]
La dinámica de fluidos computacional (CFD) proporciona una valiosa herramienta para la investigación científica. Por un lado permite simular experimentos numéricos en lugar de reproducir experiencias reales que son caras y en algunas ocasiones imposibles de llevarse a cabo con modelos a escala. Por otro lado, proporciona información adicional que no se puede obtener de la observación experimental, lo cual es especialmente valioso cuando el objeto de estudio no es sólo descubrir alguna variable del flujo (como velocidad, presión, etc.) sino también entender los procesos físicos envueltos en el fenómeno. Históricamente, la dinámica de fluidos computacional se ha centrado en métodos que se basan en una malla. Existen dos aproximaciones para describir las ecuaciones físicas que gobiernan estos métodos. La Euleriana y la Lagrangiana. Los métodos de elementos finitos (FEM) son el paradigma de los métodos Lagrangianos en los cuales se asocia una malla al material y ésta se puede deformar imitando la deformación del material. Un claro ejemplo de la descripción Euleriana son los métodos de diferencias finitas (FDM) y el método de volúmenes finitos (FVM). Éste último es el más extendido a la hora de estudiar problemas de dinámica computacional de fluidos. A pesar del éxito de estos métodos en las últimas décadas, ambas, aproximación Euleriana y Lagrangiana, presentan importantes limitaciones, incluso cuando se usan de manera conjunta. Además, el uso de métodos lagrangianos ha experimentado un gran crecimiento en la última década. En estos métodos se substituye la malla por un conjunto de nodos distribuidos de manera arbitraria. Se espera así que el modelo sea más maleable y versátil que los convencionales métodos basados en malla, especialmente para aplicaciones con grandes discontinuidades en el flujo del fluido. El método SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) se desarrolló por primera vez alrededor del año 1977 para estudiar problemas astrofísicos y es uno de los más conocidos métodos libres de malla. Conceptualmente, el método usa la teoría de interpolación para transformar las ecuaciones diferenciales parciales en sumatorios que describen las integrales. A pesar de su pronta aparición, el modelo no ha despertado la curiosidad de los investigadores a la hora de aplicarlo en otros campos distintos a la astrofísica hasta principios de los 90. Fue entonces cuando el modelo se aplicó con éxito en campos como el impacto en sólidos. En el caso particular de la dinámica de fluidos, quizás el mayor logro de la técnica SPH ha sido su aplicación a problemas de fluidos con superficie libre. El grupo SPHysics (www.sphysics.org) ha centrado su investigación en la propagación de las olas y en su interacción con estructuras costeras, tanto en 2D como en 3D. [-]
 
A dinámica dos fluídos computacional (CFD) proporciona unha valiosa ferramenta para a investigación científica. Por un lado permite simular experimentos numéricos no lugar de reproducir experiencias reais que son caras e nalgunhas ocasións imposibles de levarse a cabo cos modelos a escala. Por outro lado, proporciona información adicional que non se pode obter da observación experimental, o cal e especialmente valioso cando el obxecto do estudo non e so descubrir algunha variable do fluxo (como velocidade, presión, etc.) senón tamén entender os procesos físicos envoltos no fenómeno. Historicamente, a dinámica dos fluídos computacional centrouse nos métodos baseados nunha malla. Existen dúas aproximacións para describir as ecuacións físicas que gobernan estes métodos. A Euleriana e a Lagrangiana. Os métodos de elementos finitos (FEM) son o paradigma dos métodos Lagrangianos nos cales se asocia unha malla ó material e esta se pode deformar imitando a deformación do material. Un claro exemplo da descrición Euleriana son os métodos de diferenzas finitas (FDM) e o método de volumes ... [+]
A dinámica dos fluídos computacional (CFD) proporciona unha valiosa ferramenta para a investigación científica. Por un lado permite simular experimentos numéricos no lugar de reproducir experiencias reais que son caras e nalgunhas ocasións imposibles de levarse a cabo cos modelos a escala. Por outro lado, proporciona información adicional que non se pode obter da observación experimental, o cal e especialmente valioso cando el obxecto do estudo non e so descubrir algunha variable do fluxo (como velocidade, presión, etc.) senón tamén entender os procesos físicos envoltos no fenómeno. Historicamente, a dinámica dos fluídos computacional centrouse nos métodos baseados nunha malla. Existen dúas aproximacións para describir as ecuacións físicas que gobernan estes métodos. A Euleriana e a Lagrangiana. Os métodos de elementos finitos (FEM) son o paradigma dos métodos Lagrangianos nos cales se asocia unha malla ó material e esta se pode deformar imitando a deformación do material. Un claro exemplo da descrición Euleriana son os métodos de diferenzas finitas (FDM) e o método de volumes finitos (FVM). Éste último e o mais estendido a hora de estudar problemas de dinámica computacional de fluídos. A pesar do éxito destes métodos nas últimas décadas, ambas, aproximacións Euleriana e Lagrangiana, presentan importantes limitacions, incluso cando se usan de maneira conxunta. Ademais, o uso de métodos lagrangianos experimentou un gran crecemento na última década. Nestes métodos se substitúe a malla por un conxunto de nodos distribuídos de maneira arbitraria. Esperase así que o modelo sexa mais maleable e versátil que os convencionais métodos baseados en malla, especialmente para aplicacións con grandes descontinuidades no fluxo do fluído. O método SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) desenrolouse por primeira vez entorno o ano 1977 para estudar problemas astrofísicos sendo un dos mais coñecidos métodos libres de malla. Conceptualmente, o método usa a teoría da interpolación para transformar as ecuacións diferenciais parciais en sumas que describen as integrais. A pesar da súa pronta aparición, o modelo non despertou a curiosidade dos investigadores a hora de aplicalo noutros campos distintos a astrofísica hasta comezos dos 90. Foi entón cando o modelo se aplicou con éxito nos campos como o impacto nos sólidos. No caso particular da dinámica de fluídos, quizás o maior logro da técnica SPH foi a súa aplicación a problemas de fluídos con superficie libre. O grupo SPHysics (www.sphysics.org) ha centrado a súa investigación na propagación das ondas e na súa interacción cas estruturas costeiras, tanto en 2D como en 3D. [-]

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