Paralelização do Método Lattice Boltzmann 2D em CUDA

Abstract

A dinâmica dos fluidos computacional tem exigido uma capacidade de processamento cada vez maior para a simulação de cenários reais que envolvem escoamento de fluidos na engenharia aeroespacial. Processadores gráficos tem ganhado espaço na aceleração de métodos numéricos empregados em diversas aplicações, pois seu uso se torna tanto eficiente quanto maior for a intensidade aritmética e o grau de paralelismo do algoritmo. O Método Lattice-Boltzmann é conhecido por agregar tais características no contexto de métodos numéricos de CFD e seu processamento em plataformas paralelas como as GPUs tem se mostrado promissor. O presente trabalho realiza uma implementação paralela em linguagem C do modelo LBGK D2Q9 monofásico utilizando a plataforma CUDA para o processamento em placas gráficas da NVIDIA. Uma função para a imposição da condição de contorno periódica foi desenvolvida sobre um modelo de paralelização difundido na literatura para simular um escoamento entre placas planas paralelas infinitas. Este último, por sua vez, é usado para verificar o código, demonstrando boa concordância com a solução analítica. O algoritmo foi então usado para simular um benchmark do escoamento da cavidade quadrada com tampa móvel e apresentou resultados qualitativos satisfatórios.

Computational fluid dynamics has been requesting an increasingly computing capacity for simulating real world scenarios involving fluid flows in aerospace engineering. Graphics processors have gained ground on the acceleration of numerical methods that are employed in several applications, for its use becomes more efficient the higher the arithmetic intensity and the degree of parallelism of the algorithm. The Lattice-Boltzmann Method is known for embracing such characteristics in the context of numerical methods in CFD and its processing in parallel platforms such as GPUs has been shown to be promising. The current work performs a parallel implementation in C language of the LBGK D2Q9 model utilizing CUDA for the processing in NVIDIA graphics cards. A function for imposing periodic boundary conditions has been developed over a widespread parallelization model within the literature in order to simulate a flow between infinite parallel plates. The latter, for once, is used for verifying the code, demonstrating it is in good agreement with the analytic solution. The verified program was used to simulate a benchmark of lid-driven cavity flow and presented satisfactory qualitative results.