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https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/49405| ORCID: | http://orcid.org/0000-0003-1832-3345 |
| Tipo do documento: | Tese |
| Tipo de acesso: | Acesso Aberto |
| Título: | Modelagem matemática e computacional de escoamentos turbulentos usando a metodologia mista pseudoespectral de fourier e fronteira imersa |
| Título(s) alternativo(s): | Mathematical and computational modeling of turbulent flows using the merged fourier pseudospectral and immersed boundary method |
| Autor(es): | Freitas, Thiago Fernando Santiago de |
| Primeiro orientador: | Silveira Neto, Aristeu da |
| Primeiro coorientador: | Mariano, Felipe Pamplona |
| Primeiro membro da banca: | Souza, Francisco José de |
| Segundo membro da banca: | Guimarães, Gilmar |
| Terceiro membro da banca: | Magalhães, Elisan dos Santos |
| Quarto membro da banca: | Souza, Leandro Franco de |
| Resumo: | A turbulência em escoamentos de fluidos é um dos fenômenos físicos mais complexos e relevantes da engenharia, e sua modelagem computacional demanda metodologias de alta fidelidade e eficiência computacional. Nesse contexto, na presente tese propõe-se o desenvolvimento, a verificação e a validação de dois novos códigos computacionais tridimensionais baseados na metodologia IMERSPEC, hibridização do Método Pseudoespectral de Fourier (MPF) e do Método da Fronteira Imersa (MFI), para de modelar escoamentos laminares e turbulentos complexos com a presença de paredes. Os códigos desenvolvidos, denominados IMERSPEC MPI e IMERSPEC CUDA, distinguem-se pelas técnicas de paralelização adotadas: no primeiro emprega-se a biblioteca MPI com paralelização em duas das três direções do escoamento, enquanto no segundo explora-se o paralelismo heterogêneo CPU/GPU por meio da API CUDA, realizando os cálculos integralmente na unidade de processamento gráfico. Ambos os códigos foram verificados computacionalmente pelo Método de Soluções Manufaturadas (MSM) para o MPF isolado e para o MPF com MFI em configurações coincidentes e não coincidentes, apresentando exatidão espectral e quarta ordem de convergência, respectivamente. Adicionalmente, propôs-se e investigou-se o Método de Imposição Espectral Direta (MIED), alternativa integralmente espectral ao MDFM para malhas não coincidentes, cujos resultados indicaram exatidão inferior ao MDFM com custo computacional similar. A validação física de ambos os códigos foi realizada mediante a modelagem do escoamento laminar sobre o degrau, um caso de modelagem de um escoamento complexo clássico, com resultados consistentes com os dados dos experimentos materiais. Comparando-se os dois códigos para as mesmas condições de simulação em diferentes hardwares, o IMERSPEC CUDA apresentou desempenho superior ao IMERSPEC MPI em todas as configurações de malha avaliadas, com uma redução de custo computacional de aproximadamente vinte e nove vezes para a modelagem laminar. Enfatiza-se que esse resultado é obtido quando se comparada a execução do código IMERSPEC MPI em um cluster com 64 processos e o IMERSPEC CUDA executado junto a placa NVIDIA A100. Por outro lado, salienta-se que foi identificada a necessidade de determinação de parâmetros ótimos de execução do código IMERSPEC CUDA de acordo com a GPU a ser executada, i.e., os parâmetros ótimos de execução são dependentes do hardware usado. Com base na seleção do código com melhor performance, os desenvolvimentos subsequentes para a modelagem usando Simulação de Grandes Estruturas (LES) concentraram-se exclusivamente no IMERSPEC CUDA. Na modelagem turbulenta, investigou-se a interação entre a metodologia IMERSPEC e a abordagem LES, identificando-se e corrigindo-se aspectos da implementação que impediam a correta reprodução do escoamento turbulento, tais como a reestruturação do domínio complementar, a adoção de filtro exponencial para o processo de dealiasing e a definição das condições de contorno de topo do domínio útil de modelagem. Três modelos funcionais de fechamento submalha foram implementados e comparados no escoamento turbulento sobre o degrau com expansão brusca e com número de Reynolds Re_H = 5.100: o modelo de Smagorinsky clássico com funções de amortecimento de Van Driest, o modelo WALE (do inglês, Wall-Adapting Local Eddy-viscosity) e o modelo dinâmico de Germano-Lilly. Os resultados obtidos com as malhas de 32 x 128 x 256 e 64 x 256 x 512 pontos de colocação foram comparados com dados computacionais e materiais de referência. O modelo WALE apresentou o melhor desempenho global, com erro de apenas 0,5% na estimativa do comprimento de recolamento da camada limite, além do menor custo computacional entre os três modelos avaliados, constituindo-se como a melhor escolha para a presente modelagem ainda que este modelo submalha apresente perfis de velocidade média e componentes da tensão média de Boussinesq-Reynolds com significante discrepâncias dos trabalhos de referência. Com o modelo dinâmico de Germano-Lilly obteve-se resultados ligeiramente superiores ao modelo de Smagorinsky clássico, com erro de 11% e 13% no comprimento de recolamento, respectivamente, com custo computacional maior. O IMERSPEC CUDA com abordagem LES e modelo dinâmico de Germano-Lilly, o modelo mais caro computacionalmente, reproduziu 450 s de tempo físico em menos de 72 horas na GPU NVIDIA A100, demonstrando a viabilidade da metodologia para simulações de alta ordem em tempo competitivo. |
| Abstract: | Turbulence in fluid flows is one of the most complex and relevant physical phenomena in engineering, and its computational modeling demands high-fidelity and computationally efficient methodologies. In this context, the present thesis proposes the development, verification, and validation of two novel three-dimensional computational codes based on the IMERSPEC methodology, a hybridization of the Fourier Pseudospectral Method (MPF) and the Immersed Boundary Method (MFI), for the simulation of laminar and turbulent complex flows in the presence of walls. The developed codes, referred to as IMERSPEC MPI and IMERSPEC CUDA, are distinguished by their parallelization strategies: the former employs the MPI library with parallelization along two of the three flow directions, while the latter exploits heterogeneous CPU/GPU parallelism through the CUDA API, performing all computations entirely on the graphics processing unit. Both codes were computationally verified using the Method of Manufactured Solutions (MSM) for the isolated MPF and for the MPF coupled with the MFI in coincident and non-coincident grid configurations, achieving spectral accuracy and fourth-order convergence, respectively. Additionally, the Spectral Direct Imposition Method (MIED) was proposed and investigated as a fully spectral alternative to the MDFM for non-coincident grids, whose results indicated lower accuracy than the MDFM at comparable computational cost. The physical validation of both codes was carried out through the simulation of laminar flow over a backward-facing step, a classical complex flow benchmark, with results consistent with experimental reference data. Comparing the two codes under identical simulation conditions on different hardware configurations, the IMERSPEC CUDA outperformed the IMERSPEC MPI across all evaluated mesh sizes, achieving a computational cost reduction of approximately twenty-nine times for the laminar case. It is emphasized that this result is obtained when comparing the IMERSPEC MPI executed on a cluster with 64 processes and the IMERSPEC CUDA running on the NVIDIA A100 GPU. On the other hand, it is noted that optimal execution parameters for the IMERSPEC CUDA code must be determined according to the GPU to be used, i.e., the optimal execution parameters are hardware-dependent. Based on the selection of the higher-performance code, subsequent developments for Large Eddy Simulation (LES) modeling were conducted exclusively with the IMERSPEC CUDA. In the turbulent flow simulations, the interaction between the IMERSPEC methodology and the LES approach was investigated, identifying and correcting implementation aspects that prevented the correct reproduction of turbulent flow, such as the restructuring of the complementary domain, the adoption of an exponential filter for the dealiasing procedure, and the definition of the top boundary conditions of the computational domain. Three functional subgrid-scale (SGS) closure models were implemented and compared for turbulent flow over a backward-facing step at Reynolds number Re_H = 5100: the classical Smagorinsky model with Van Driest damping functions, the WALE model (Wall-Adapting Local Eddy-viscosity), and the Germano-Lilly dynamic model. Results obtained with meshes of $32\times128\times256$ and $64\times256\times512$ collocation points were compared against computational and experimental reference data. The WALE model demonstrated the best overall performance, with an error of only 0,5% in the reattachment length estimation and the lowest computational cost among the three evaluated models, making it the most suitable choice for the present simulations, although this subgrid-scale model presents mean velocity profiles and Boussinesq-Reynolds mean stress tensor components with significant discrepancies relative to reference data. The Germano-Lilly dynamic model yielded results slightly superior to those of the classical Smagorinsky model, with reattachment length errors of 11% and 13%, respectively, at a higher computational cost. The IMERSPEC CUDA with the LES approach and the Germano-Lilly dynamic model, the most computationally demanding configuration, reproduced 450 s of physical time in less than 72 hours on the NVIDIA A100 GPU, demonstrating the viability of the methodology for high-order simulations within competitive computational time. |
| Palavras-chave: | método psedoespectral de Fourier Fourier pseudospectral method método da fronteira imersa immersed boundary method paralelização MPI MPI parallelization paralelização CPU/GPU CPU/GPU parallelization escoamento sobre o degrau backward-facing step flow modelo de Smagorinsky com funções de Van Driest Smagorinsky model with Van Driest damping functions modelo WALE WALE model modelo dinâmica de Germano-Lilly Germano-Lilly dynamic model |
| Área(s) do CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS |
| Assunto: | Engenharia mecânica |
| Idioma: | por |
| País: | Brasil |
| Editora: | Universidade Federal de Uberlândia |
| Programa: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica |
| Referência: | FREITAS, Thiago Fernando Santiago de. Modelagem matemática e computacional de escoamentos turbulentos usando a metodologia mista pseudoespectral de fourier e fronteira imersa. 2026. 177 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2026.614. |
| Identificador do documento: | http://doi.org/10.14393/ufu.te.2026.614 |
| URI: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/49405 |
| Data de defesa: | 4-Ago-2026 |
| Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS): | ODS::ODS 12. Consumo e produção responsáveis - Assegurar padrões de produção e de consumo sustentáveis. |
| Aparece nas coleções: | TESE - Engenharia Mecânica |
Arquivos associados a este item:
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