Unstructured mesh algorithms for aerodynamic calculations

The use of unstructured mesh techniques for solving complex aerodynamic flows is discussed. The principle advantages of unstructured mesh strategies, as they relate to complex geometries, adaptive meshing capabilities, and parallel processing are emphasized. The various aspects required for the efficient and accurate solution of aerodynamic flows are addressed. These include mesh generation, mesh adaptivity, solution algorithms, convergence acceleration, and turbulence modeling. Computations of viscous turbulent two-dimensional flows and inviscid three-dimensional flows about complex configurations are demonstrated. Remaining obstacles and directions for future research are also outlined

Semi-Structured multigrid methods on Voronoi meshes to the resolution of the Darcy-Oberbeck-Boussinesq model

La mayoría de los problemas en física e ingeniería se modelan mediante ecuaciones en derivadas parciales. Como mayores exponentes de este hecho tenemos las ecuaciones de Maxwell, el problema elástico o las ecuaciones de Navier-Stokes. La resolucíon de las ecuaciones en derivadas parciales se basa en el uso de métodos numéricos que están basados en un proceso de discretización. Lo cual, conduce al planteamiento de un sistema de ecuaciones algebraicas cuya resolución puede llegar a ser muy costosa. Por tanto, desarrollar métodos eficientes repercute en la posibilidad de realizar más ensayos con un menor costo de recursos. Hay dos grandes grupos de resolución de estos sistemas de ecuaciones, uno serian los métodos basados en el método del gradiente conjugado, y el otro los métodos multimalla. Es importante remarcar, que los métodos multimalla se pueden usar como precondicionadores de los métodos de gradiente conjugado. Esta tesis, se va a centrar en los métodos multimalla. Los métodos multimalla, son conocidos por ser muy rápidos resolviendo problemas de tipo parabólico y elíptico. Dentro de los métodos multimalla, nos encontramos dos familias. Los métodos geométricos son especialmente rápidos y tienen un bajo consumo de memoria, pero tienen la limitación de que el dominio debe ser regular y la malla estructurada, lo que limita su aplicación. Por otra parte, tenemos los métodos algebraicos, los cuales son mas lentos y requieren más memoria pero se pueden aplicar a dominios de cualquier complejidad. Una alternativa que pretende obtener lo mejor de ambos métodos es el uso de métodos geométricos en mallas semi-estructuradas. Estos consisten en crear una malla inicial no estructurada que se adapte a la geometría del dominio para posteriormente, refinar regularmente esta malla inicial hasta alcanzar la precisión deseada. De esta manera, obtenemos una malla que se adapta al dominio, y dentro de esta malla, dominios estructurados donde podemos aplicar métodos multimalla geométricos. Se han realizado estudios con mallas rectangulares y con triangulares, estas ultimas con nodos en los vértices. Generalmente, las mallas utilizadas para triangular un dominio son las mallas de Delaunay porque se construyen muy rápidamente y además, tienden a dar una triangulación con pocos triángulos puntiagudos y muchos triángulos acutángulos. La malla dual de Delaunay es conocida como malla de Voronoi. La línea que une los vértices de Voronoi es perpendicular a la triangulación de Delaunay. Por tanto, su uso para discretizar ecuaciones en derivadas parciales es muy interesante, ya que para discretizar las derivadas en la dirección normal basta con un cociente de diferencias. Utilizaremos triángulos acutángulos, por lo que el punto de Voronoi siempre estará dentro del triángulo. Pero su posición cambia en función de la forma del triángulo, lo cual, puede dar lugar a grandes anisotropías debidas al mallado y no al problema. Uno de los componentes más importantes de los métodos multimalla es el suavizador. El estudio de suavizadores para mallas centradas en celdas es escaso y nulo para mallas semi-estructuradas. Por tanto, el estudio de nuevos suavizadores es uno de nuestros objetivos. Para ello, deberemos estudiar la complejidad del problema y diseñar nuevos suavizadores que sean capaces de tratar con esta anisotropía inducida por la malla. A la vez que desarrollamos el método multimalla genérico, nos centraremos en la resolución del modelo Darcy-Oberbeck-Boussinesq. Este modelo tiene a su vez un sistema de ecuaciones de tipo mixto con incógnitas de presión y de velocidad. Por tanto, deberemos extender lo estudiado para resolver este sistema. Localizaremos las proyecciones de la velocidad en los lados de los triángulos. En este punto tenemos dos opciones, el uso de suavizadores de tipo Vanka, dentro del cual deberemos resolver cada vez un sistema de ecuaciones de tipo punto silla, o de tipo distributivo. Como no podemos saber de antemano cual sería mas eficiente, deberemos analizar ambos. El modelo Darcy-Oberbeck-Boussinesq, es un modelo que se utiliza para calcular el comportamiento de flujos en medios porosos saturados, los cuales son movidos por diferencias de densidad dentro del fluido. Este modelo puede ser utilizado en el problema de almacenaje de CO2 en acuíferos salinos. Notemos que la velocidad y la concentración están acopladas, haciendo que el problema sea altamente no lineal. De hecho, al poco tiempo del comienzo del proceso se crean inestabilidades difícilmente modelizables que exigen pasos de tiempo muy pequeños

Efficient Multigrid Preconditioners for Atmospheric Flow Simulations at High Aspect Ratio

Many problems in fluid modelling require the efficient solution of highly anisotropic elliptic partial differential equations (PDEs) in "flat" domains. For example, in numerical weather- and climate-prediction an elliptic PDE for the pressure correction has to be solved at every time step in a thin spherical shell representing the global atmosphere. This elliptic solve can be one of the computationally most demanding components in semi-implicit semi-Lagrangian time stepping methods which are very popular as they allow for larger model time steps and better overall performance. With increasing model resolution, algorithmically efficient and scalable algorithms are essential to run the code under tight operational time constraints. We discuss the theory and practical application of bespoke geometric multigrid preconditioners for equations of this type. The algorithms deal with the strong anisotropy in the vertical direction by using the tensor-product approach originally analysed by B\"{o}rm and Hiptmair [Numer. Algorithms, 26/3 (2001), pp. 219-234]. We extend the analysis to three dimensions under slightly weakened assumptions, and numerically demonstrate its efficiency for the solution of the elliptic PDE for the global pressure correction in atmospheric forecast models. For this we compare the performance of different multigrid preconditioners on a tensor-product grid with a semi-structured and quasi-uniform horizontal mesh and a one dimensional vertical grid. The code is implemented in the Distributed and Unified Numerics Environment (DUNE), which provides an easy-to-use and scalable environment for algorithms operating on tensor-product grids. Parallel scalability of our solvers on up to 20,480 cores is demonstrated on the HECToR supercomputer.Comment: 22 pages, 6 Figures, 2 Table

Parallel Smoothers for Matrix-based Multigrid Methods on Unstructured Meshes Using Multicore CPUs and GPUs

Multigrid methods are efficient and fast solvers for problems typically modeled by partial differential equations of elliptic type. For problems with complex geometries and local singularities stencil-type discrete operators on equidistant Cartesian grids need to be replaced by more flexible concepts for unstructured meshes in order to properly resolve all problem-inherent specifics and for maintaining a moderate number of unknowns. However, flexibility in the meshes goes along with severe drawbacks with respect to parallel execution – especially with respect to the definition of adequate smoothers. This point becomes in particular pronounced in the framework of fine-grained parallelism on GPUs with hundreds of execution units. We use the approach of matrixbased multigrid that has high flexibility and adapts well to the exigences of modern computing platforms. In this work we investigate multi-colored Gauß-Seidel type smoothers, the power(q)-pattern enhanced multi-colored ILU(p) smoothers with fillins