Enlarging time-steps for solving one and two phase flows using the particle finite element method

Autores
Gimenez, Juan Marcelo
Año de publicación
2015
Idioma
inglés
Tipo de recurso
tesis doctoral
Estado
versión aceptada
Colaborador/a o director/a de tesis
Nigro, Norberto Marcelo
Löhner, Rainald
Buscaglia, Gustavo
Storti, Mario
Descripción
Fil: Gimenez, Juan Marcelo. Universidad Nacional del Litoral. Facultad de Ingeniería y Ciencias Hídricas; Argentina.
The development of numerical methods for one-phase flows have undergone a tremendous progress and impressive results. The case of multi-phase flows is a field placed far from being completely understood and the available numerical tools are still in a developing stage. An additional issue of current numerical strategies is the considerable computational effort required to solve problems where complex geometries are present requiring high level of detail and large simulation times. In this context, the current thesis presents a highly efficient numerical tool to solve one- and two-phase flows called Particle Finite Element Method Two (PFEM-2). This method presents a hybrid spatial discretization, which uses Lagrangian particles and Eulerian mesh, for the numerical solution of the transport equations written in Lagrangian formulation. The improved methodology includes a novel strategy of explicit integration of particles trajectories following the streamlines, which gives it the capability of using large time-steps without significant accuracy loss. The body of this thesis presents a high performing implementation, able to be executed over scientific clusters, and the extension of PFEM-2 to solve two-phase flows considering the treatment of discontinuities at the interfaces and surface tension without loosing the feature of employing large time-steps. Also, new strategies of projection from particles to mesh, mathematical formulation of integration errors, solution of complex academical and industrial problems, among other novel topics treated, gives a robust frame of analysis for PFEM-2 and positioning it among the fastest methods to solve incompressible flows.
El desarrollo de métodos numéricos para flujos a una fase ha sufrido un tremendo progreso en los últimos años. En cambio, los flujos multifásicos conforman un campo aún no totalmente comprendido y en el cual las herramientas numéricas disponibles se encuentran en desarrollo. Un problema adicional de las estrategias actuales es el considerable esfuerzo computacional requerido para resolver problemas que utilicen geometrías complejas y alto nivel de detalle. En este contexto, ésta tesis presenta una metodología numérica eficiente denominada Método de Partículas y Elementos Finitos (PFEM-2). Éste método plantea una discretización espacial híbrida, que utiliza partículas Lagrangianas y una malla fija Euleriana, para la solución numérica de ecuaciones de transporte escritas en formulación Lagrangiana. En contraste con su predecesor, se incluye una novedosa estrategia de integración explícita de la trayectoria de las partículas, posibilitando utilizar grandes pasos de tiempo sin sacrificar demasiada precisión. El cuerpo de la tesis presenta la implementación del método para cómputo de alto rendimiento y su extensión a flujos a bifásicos atendiendo al tratamiento de discontinuidades en las interfaces y la tensión superficial. Además se desarrolla una novedosa derivación del método, nuevas estrategias de proyección desde partículas a mallas y una expresión matemática de los errores de integración. Finalmente se incluye la resolución de problemas complejos de interés industrial, dónde la capacidad del método es analizada y comparada con alternativas numéricas clásicas, otorgando un marco robusto de análisis a PFEM-2 y posicionándolo entre los métodos más rápidos para la solución de flujos incompresibles.
Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
Agencia Nacional de Promoción Científica y Técnica
Materia
PFEM-2
Computational fluid dynamics
Numerical simulation
Particle methods 
Multiphase flows
High performance computing
PFEM-2
Fluidodinámica computacional
Simulación numérica
Métodos de partículas
Flujos multifásicos
Cómputo de alto rendimiento
Nivel de accesibilidad
acceso abierto
Condiciones de uso
Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)
Repositorio
Biblioteca Virtual (UNL)
Institución
Universidad Nacional del Litoral
OAI Identificador
oai:https://bibliotecavirtual.unl.edu.ar:11185/843

id UNLBT_2f8b91396c292793388b1c3982a2e1ee
oai_identifier_str oai:https://bibliotecavirtual.unl.edu.ar:11185/843
network_acronym_str UNLBT
repository_id_str 2187
network_name_str Biblioteca Virtual (UNL)
spelling Enlarging time-steps for solving one and two phase flows using the particle finite element methodExtendiendo los pasos de tiempo para la solución de flujos a una y dos fases utilizando el método de partículas y elementos finitosGimenez, Juan MarceloPFEM-2Computational fluid dynamicsNumerical simulationParticle methods Multiphase flowsHigh performance computingPFEM-2Fluidodinámica computacionalSimulación numéricaMétodos de partículasFlujos multifásicosCómputo de alto rendimientoFil: Gimenez, Juan Marcelo. Universidad Nacional del Litoral. Facultad de Ingeniería y Ciencias Hídricas; Argentina.The development of numerical methods for one-phase flows have undergone a tremendous progress and impressive results. The case of multi-phase flows is a field placed far from being completely understood and the available numerical tools are still in a developing stage. An additional issue of current numerical strategies is the considerable computational effort required to solve problems where complex geometries are present requiring high level of detail and large simulation times. In this context, the current thesis presents a highly efficient numerical tool to solve one- and two-phase flows called Particle Finite Element Method Two (PFEM-2). This method presents a hybrid spatial discretization, which uses Lagrangian particles and Eulerian mesh, for the numerical solution of the transport equations written in Lagrangian formulation. The improved methodology includes a novel strategy of explicit integration of particles trajectories following the streamlines, which gives it the capability of using large time-steps without significant accuracy loss. The body of this thesis presents a high performing implementation, able to be executed over scientific clusters, and the extension of PFEM-2 to solve two-phase flows considering the treatment of discontinuities at the interfaces and surface tension without loosing the feature of employing large time-steps. Also, new strategies of projection from particles to mesh, mathematical formulation of integration errors, solution of complex academical and industrial problems, among other novel topics treated, gives a robust frame of analysis for PFEM-2 and positioning it among the fastest methods to solve incompressible flows.El desarrollo de métodos numéricos para flujos a una fase ha sufrido un tremendo progreso en los últimos años. En cambio, los flujos multifásicos conforman un campo aún no totalmente comprendido y en el cual las herramientas numéricas disponibles se encuentran en desarrollo. Un problema adicional de las estrategias actuales es el considerable esfuerzo computacional requerido para resolver problemas que utilicen geometrías complejas y alto nivel de detalle. En este contexto, ésta tesis presenta una metodología numérica eficiente denominada Método de Partículas y Elementos Finitos (PFEM-2). Éste método plantea una discretización espacial híbrida, que utiliza partículas Lagrangianas y una malla fija Euleriana, para la solución numérica de ecuaciones de transporte escritas en formulación Lagrangiana. En contraste con su predecesor, se incluye una novedosa estrategia de integración explícita de la trayectoria de las partículas, posibilitando utilizar grandes pasos de tiempo sin sacrificar demasiada precisión. El cuerpo de la tesis presenta la implementación del método para cómputo de alto rendimiento y su extensión a flujos a bifásicos atendiendo al tratamiento de discontinuidades en las interfaces y la tensión superficial. Además se desarrolla una novedosa derivación del método, nuevas estrategias de proyección desde partículas a mallas y una expresión matemática de los errores de integración. Finalmente se incluye la resolución de problemas complejos de interés industrial, dónde la capacidad del método es analizada y comparada con alternativas numéricas clásicas, otorgando un marco robusto de análisis a PFEM-2 y posicionándolo entre los métodos más rápidos para la solución de flujos incompresibles.Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y TécnicasAgencia Nacional de Promoción Científica y TécnicaNigro, Norberto MarceloLöhner, RainaldBuscaglia, GustavoStorti, Mario2016-08-112015-11-13info:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionSNRDhttp://purl.org/coar/resource_type/c_db06info:ar-repo/semantics/tesisDoctoralapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/11185/843engenginfo:eu-repo/semantics/openAccessAtribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/deed.esreponame:Biblioteca Virtual (UNL)instname:Universidad Nacional del Litoralinstacron:UNL2025-09-29T14:30:05Zoai:https://bibliotecavirtual.unl.edu.ar:11185/843Institucionalhttp://bibliotecavirtual.unl.edu.ar/Universidad públicaNo correspondeajdeba@unl.edu.arArgentinaNo correspondeNo correspondeNo correspondeopendoar:21872025-09-29 14:30:06.174Biblioteca Virtual (UNL) - Universidad Nacional del Litoralfalse
dc.title.none.fl_str_mv Enlarging time-steps for solving one and two phase flows using the particle finite element method
Extendiendo los pasos de tiempo para la solución de flujos a una y dos fases utilizando el método de partículas y elementos finitos
title Enlarging time-steps for solving one and two phase flows using the particle finite element method
spellingShingle Enlarging time-steps for solving one and two phase flows using the particle finite element method
Gimenez, Juan Marcelo
PFEM-2
Computational fluid dynamics
Numerical simulation
Particle methods 
Multiphase flows
High performance computing
PFEM-2
Fluidodinámica computacional
Simulación numérica
Métodos de partículas
Flujos multifásicos
Cómputo de alto rendimiento
title_short Enlarging time-steps for solving one and two phase flows using the particle finite element method
title_full Enlarging time-steps for solving one and two phase flows using the particle finite element method
title_fullStr Enlarging time-steps for solving one and two phase flows using the particle finite element method
title_full_unstemmed Enlarging time-steps for solving one and two phase flows using the particle finite element method
title_sort Enlarging time-steps for solving one and two phase flows using the particle finite element method
dc.creator.none.fl_str_mv Gimenez, Juan Marcelo
author Gimenez, Juan Marcelo
author_facet Gimenez, Juan Marcelo
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Nigro, Norberto Marcelo
Löhner, Rainald
Buscaglia, Gustavo
Storti, Mario
dc.subject.none.fl_str_mv PFEM-2
Computational fluid dynamics
Numerical simulation
Particle methods 
Multiphase flows
High performance computing
PFEM-2
Fluidodinámica computacional
Simulación numérica
Métodos de partículas
Flujos multifásicos
Cómputo de alto rendimiento
topic PFEM-2
Computational fluid dynamics
Numerical simulation
Particle methods 
Multiphase flows
High performance computing
PFEM-2
Fluidodinámica computacional
Simulación numérica
Métodos de partículas
Flujos multifásicos
Cómputo de alto rendimiento
dc.description.none.fl_txt_mv Fil: Gimenez, Juan Marcelo. Universidad Nacional del Litoral. Facultad de Ingeniería y Ciencias Hídricas; Argentina.
The development of numerical methods for one-phase flows have undergone a tremendous progress and impressive results. The case of multi-phase flows is a field placed far from being completely understood and the available numerical tools are still in a developing stage. An additional issue of current numerical strategies is the considerable computational effort required to solve problems where complex geometries are present requiring high level of detail and large simulation times. In this context, the current thesis presents a highly efficient numerical tool to solve one- and two-phase flows called Particle Finite Element Method Two (PFEM-2). This method presents a hybrid spatial discretization, which uses Lagrangian particles and Eulerian mesh, for the numerical solution of the transport equations written in Lagrangian formulation. The improved methodology includes a novel strategy of explicit integration of particles trajectories following the streamlines, which gives it the capability of using large time-steps without significant accuracy loss. The body of this thesis presents a high performing implementation, able to be executed over scientific clusters, and the extension of PFEM-2 to solve two-phase flows considering the treatment of discontinuities at the interfaces and surface tension without loosing the feature of employing large time-steps. Also, new strategies of projection from particles to mesh, mathematical formulation of integration errors, solution of complex academical and industrial problems, among other novel topics treated, gives a robust frame of analysis for PFEM-2 and positioning it among the fastest methods to solve incompressible flows.
El desarrollo de métodos numéricos para flujos a una fase ha sufrido un tremendo progreso en los últimos años. En cambio, los flujos multifásicos conforman un campo aún no totalmente comprendido y en el cual las herramientas numéricas disponibles se encuentran en desarrollo. Un problema adicional de las estrategias actuales es el considerable esfuerzo computacional requerido para resolver problemas que utilicen geometrías complejas y alto nivel de detalle. En este contexto, ésta tesis presenta una metodología numérica eficiente denominada Método de Partículas y Elementos Finitos (PFEM-2). Éste método plantea una discretización espacial híbrida, que utiliza partículas Lagrangianas y una malla fija Euleriana, para la solución numérica de ecuaciones de transporte escritas en formulación Lagrangiana. En contraste con su predecesor, se incluye una novedosa estrategia de integración explícita de la trayectoria de las partículas, posibilitando utilizar grandes pasos de tiempo sin sacrificar demasiada precisión. El cuerpo de la tesis presenta la implementación del método para cómputo de alto rendimiento y su extensión a flujos a bifásicos atendiendo al tratamiento de discontinuidades en las interfaces y la tensión superficial. Además se desarrolla una novedosa derivación del método, nuevas estrategias de proyección desde partículas a mallas y una expresión matemática de los errores de integración. Finalmente se incluye la resolución de problemas complejos de interés industrial, dónde la capacidad del método es analizada y comparada con alternativas numéricas clásicas, otorgando un marco robusto de análisis a PFEM-2 y posicionándolo entre los métodos más rápidos para la solución de flujos incompresibles.
Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
Agencia Nacional de Promoción Científica y Técnica
description Fil: Gimenez, Juan Marcelo. Universidad Nacional del Litoral. Facultad de Ingeniería y Ciencias Hídricas; Argentina.
publishDate 2015
dc.date.none.fl_str_mv 2015-11-13
2016-08-11
dc.type.none.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/acceptedVersion
SNRD
http://purl.org/coar/resource_type/c_db06
info:ar-repo/semantics/tesisDoctoral
format doctoralThesis
status_str acceptedVersion
dc.identifier.none.fl_str_mv http://hdl.handle.net/11185/843
url http://hdl.handle.net/11185/843
dc.language.none.fl_str_mv eng
eng
language eng
dc.rights.none.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/deed.es
eu_rights_str_mv openAccess
rights_invalid_str_mv Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/deed.es
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Biblioteca Virtual (UNL)
instname:Universidad Nacional del Litoral
instacron:UNL
reponame_str Biblioteca Virtual (UNL)
collection Biblioteca Virtual (UNL)
instname_str Universidad Nacional del Litoral
instacron_str UNL
institution UNL
repository.name.fl_str_mv Biblioteca Virtual (UNL) - Universidad Nacional del Litoral
repository.mail.fl_str_mv jdeba@unl.edu.ar
_version_ 1844621937921228800
score 12.559606