Modelos de fuerza de frontera y máxima entropía para aplicaciones de lattice Boltzmann en fluidos

• Autores: Dottori, Javier
• Año de publicación: 2016
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Boroni, Gustavo; Clausse, Alejandro
• Materia: Computación; Fluidos; Lattice Boltzmann; Entropía; Autómatas; LBM; Tesis de doctorado
• Institución: Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires

En este trabajo se presentan técnicas desarrolladas para resolver problemas de fuidos interactuando con contornos y estructura basadas en autómatas de lattice Boltzmann (LBM). Primeramente se presenta un método que permite fijar condiciones de salida de perfil desarrollado, basado en el principio de máxima entropía. Se realizaron evaluaciones en simulaciones de flujo desarrollándose en un canal rectangular con y sin fuerzas volumétricas. Los resultados se compararon con otras condiciones de contorno alternativas. El método de máxima entropía presentado mostró la mejor combinación de precisión y estabilidad. En base a estos resultados se definió un indicador del grado de desarrollo del flujo basado en el mapa de la desviación de la entropía real respecto la máxima entropía con las restricciones apropiadas. En la segunda parte de la tesis, se desarrolló un algoritmo eficiente para implementar fronteras inmersas (IB) en LBM, de fácil paralelización en placas gráficas (GPU). Los resultados de simulaciones se validaron contra soluciones analíticas conocidas, evaluando también la aceleración obtenida mediante su implementación en GPU. Por último, se desarrolló un modelo para simular obstrucciones permeables parciales. La región obstruida se modeló mediante fuerzas, siguiendo un procedimiento similar a la IB. La diferencia con IB radica en que utiliza puntos de referencia independientes, y que la fuerza ejercida sigue la ley de Darcy. El método arrojó buenos resultados para simular flujos en medios permeables, especialmente en condiciones inestables.
This thesis presents a series of numerical techniques developed to solve problems Of fluids interacting with structures and boundaries, based on Lattice Boltzmann automata. Firstly, the problem of fully-developed flow boundary conditions at a channel exit was studied. A special method based in the principle of maximum entropy was proposed, which is applied to close the set of algebraic equations to determine the inward populations at the boundary. The method was tested for a rectangular channel with and without volumetric forces. Comparisons with other techniques showed that the present method has better precision and stability. Finally, a numerical indicator of the degree of development of the velocity profile in a channel was proposed, which takes into account the deviation of the actual local entropy respect to the maximum achievable entropy. Secondly, an effcient algorithm to implement immersed boundaries (IB) in LBM is presented. The algorithm is easy to parallelize in graphic processor units (GPU). The results from a series of simulations were validated against analytical solutions showing good performance and substantial accelerations on GPU. Finally, a model to simulate partially obstructed permeable media was developed and tested against experimental data. The obstructed region is modelled through effective forces following a procedure similar to the method of IB. In our case the points of reference are not coupled and the force follows the Darcy law. The method showed good agreement against experimental solutions.
Fil: Dottori, Javier. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas; Argentina
Fil: Boroni, Gustavo . Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas; Argentina
Fil: Clausse, Alejandro. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas; Argentina