پياده سازي پردازش موازي روي كارت گرافيك براي شبيه سازي جريان سيال با روش شبكه بولتزمن و نمايه هموار

Implementation of parallel processing on GPU for fluid flow simulation using Lattice Boltzmann method and Smoothed Profile method

بررسي بر هم كنش ميان ذرات جامد و سيال به عنوان مقدمه‌اي بر شبيه سازي بسياري از مسائل مهندسي مانند بسترهاي سيالي، ته نشيني ذرات و جوهر كاتاليست در سلول‌هاي سوختي مورد بررسي قرار گرفته است. يكي از روش‌هاي مناسب براي انجام اين گونه شبيه سازي‌ها، تركيب دو روش شبكه بولتزمن و نمايه هموار مي‌باشد كه داراي يك الگوريتم مناسب براي اجرا شدن به صورت موازي مي‌باشند. روش نمايه هموار همانند روش شبكه بولتزمن از يك شبكه ثابت براي شبيه سازي ذرات جامد در سيال استفاده مي‌كند و از اين رو يك روش كارامد براي پردازش موازي به كمك كارت گرافيك مي‌باشد. در كار حاضر، پياده سازي يك الگوريتم مناسب براي موازي سازي تركيب دو روش نمايه هموار و شبكه بولتزمن روي كارت گرافيك ارائه مي‌شود. به منظور بررسي صحت نتايج، ابتدا جريان سيال درون كانال مورد بررسي قرار گرفت. نتايج زماني حاكي از آن بود كه زمان حل مي‌تواند تا 80 برابر بوسيله كارت گرافيك كاهش يابد. در ادامه نيروي پساي وارد بر يك كره در جريان سيال و همچنين شبيه سازي سقوط يك ذره در سيال ساكن بر اثر نيروي وزن مورد بررسي قرار گرفت. نتايج بدست آمده بر روي كارت گرافيك، نشان دهنده افزايش توان محاسباتي تا 6.5 ميليون گره محاسباتي در واحد زمان را نشان مي‌دهد.

Investigation of fluid-solid interaction has been studied as an introduction to simulate a wide range of engineering problems such as fluidized beds, sediment transportation and catalyst inks in fuel cells. An efficient method for performing such simulations is a combination of Lattice Boltzmann method (LBM) and Smoothed Profile method (SPM). In addition, the operations in the SPM are local; it can be easily programmed for parallel processing. In this approach, the flow is computed on fixed Eulerian grids which are also used for the particles. Owing to the use of the same grids for simulation of fluid flow and particles, this method is highly efficient for the purpose of parallel processing by means of GPU. In this study, a combination of Lattice Boltzmann method (LBM) and Smoothed Profile method has been implemented in parallel processing on GPU. For validationpurpose, the fluid flow within a channel was investigated. Results suggest that computational time can be reduced up to 80 times by means of GPU.Then, drag force exerted on a sphere in fluid flow and the sedimentation of one sphere in a quiescent fluid were studied. Results show that performance of GPU can be increased up to 6.5 million fluid nods per second by using this method.