A Python implementation in graphic processing unit of a lattice Boltzmann model for unstable three-dimensional flows in immersed permeable media

The implementation of a lattice Boltzmann model for three-dimensional permeable media with localized drag forces is presented. The model was previously introduced for two-dimensional geometries and follows the basics of the immersed boundary method. Permeable flows are much less stable than their counterparts in porous media and generally produce large coherent flow structures, such as vortex lines, rolls, and wakes. In addition, in permeable media, the small-scale geometry often needs to be represented to a high degree of detail in order to capture certain transport phenomena, such as micro-convection or pollination. Hence, both calculation speed and memory requirements are under strain. The present model was implemented in a graphic processing unit showing excellent performance in the calculation of stable and unstable flows in a rectangular channel partially obstructed by an array of parallel wires. In particular, the model is able to deal with small and medium spatial scales without losing the heterogeneous nature of permeable flows in the homogenization process. The algorithm to manage memory issues is described in detail, and the results of the test case for stable and unstable conditions show the capability of the method to simulate these types of flows.Fil: Boroni, Gustavo Adolfo. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Sociales; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Silin, Nicolas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Clausse, Alejandro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentin

Heterogeneous Porous Media Simulation

Intracranial aneurysms are vascular disorders in which weakness in the wall of a cerebral artery or vein causes a localized dilation of the blood vessel. Flow diversion is an endovascular technique where a flow diverter stent is placed in the parent blood vessel to divert blood flow away from the aneurysm itself. Simulation by computational fluid dynamics is an attractive method to study flow diverters, particularly to model the small gaps between stent struts as a porous media. In many cases obstructions are not equal across the free medium and the porous one must be heterogeneous. Finite Volume Method solves numerical problems of computational fluid dynamics, splitting the region of interest in cells of small volumes. Porous media are usually modeled as a set of simulation cells described in a dictionary with constant porosity parameters (Homogeneous medium). An heterogeneous medium can be described as multiple homogeneous media, one by one. However, creating multiple homogeneous porous media is a tedious job if each simulation cell requires different parameters. Also, porous medium sets creates overheads on memory and processor load. The open source tool OpenFOAM is a open source C++ toolbox for field operations and partial differential equations solving using Finite Volume Method, including computational fluid dynamics. The tool is well prepared to describe heterogeneous fields. In this work, porous media coefficients are described as tensor fields. A steady state flow solver considering this fields is developed. The fidelity of the solver is then studied qualitatively and quantitatively.Fil: Dazeo, Nicolás Ignacio. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados. Provincia de Buenos Aires. Gobernación. Comision de Investigaciones Científicas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tandil; ArgentinaFil: Dottori, Javier Alejandro. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados. Provincia de Buenos Aires. Gobernación. Comision de Investigaciones Científicas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tandil; ArgentinaFil: Boroni, Gustavo Adolfo. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados. Provincia de Buenos Aires. Gobernación. Comision de Investigaciones Científicas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tandil; ArgentinaFil: Larrabide, Ignacio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tandil; Argentina. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados. Provincia de Buenos Aires. Gobernación. Comision de Investigaciones Científicas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados; Argentin

A new numerical method for stiff differential equations

A new class of multistep methods for stiff ordinary differential equations is presented. The method is based in the application of estimation functions for the derivatives and the state variables, allowing the transformation of the original system in a purely algebraic system using the solutions of previous steps. From this point of view these methods adopt a semi-implicit scheme. The novelty introduced is an adaptive formula for the estimation function coefficients, deduced from a combined analysis of stability and convergence order. That is, the estimation function coefficients are recomputed at each time step. The convergence order of the resulting scheme is better than the equivalent linear multistep methods, while preserving the properties of stability.Fil: Boroni, Gustavo Adolfo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tandil; Argentina. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires; ArgentinaFil: Clausse, Alejandro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tandil; Argentina. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires; ArgentinaFil: Lotito, Pablo Andres. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tandil; Argentina. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentin

Fault location index for distribution power system restoration using voltage sags

Debido a la expansión de los sistemas de distribución de energía, garantizar un servicio sininterrupciones es un área de gran interés en el estudio de los sistemas eléctricos. En este contexto, lossistemas de distribución pueden ser afectados por tormentas, animales, o simplemente el deterioro de losequipos ubicados en campo. Por esta razón, es importante que este tipo de sistemas pueda identificar yaislar la ocurrencia de una falla tan rápido como sea posible. Este trabajo propone un método de ubicación de fallas aplicable a cualquier red de distribución. El método propuesto calcula un valor de índicepara cada nodo del sistema a partir de la caída de tensión producida por fallas monofásicas, bifásicas,bifásicas a tierra y trifásicas. El enfoque propuesto es analizado sobre una red de 34 nodos de IEEE,donde los resultados obtenidos permiten concluir que es posible identificar el tipo de falla, la sección ysu ubicación con gran precisión.Fil: Fiaschetti, Leandro Pedro. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados. Provincia de Buenos Aires. Gobernación. Comision de Investigaciones Científicas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados; ArgentinaFil: Antunez, Matias Antonio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados. Provincia de Buenos Aires. Gobernación. Comision de Investigaciones Científicas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados; ArgentinaFil: Boroni, Gustavo Adolfo. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados. Provincia de Buenos Aires. Gobernación. Comision de Investigaciones Científicas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin

FULL GPU Implementation of Lattice-Boltzmann Methods with Immersed Boundary Conditions for Fast Fluid Simulations

Lattice Boltzmann Method (LBM) has shown great potential in fluid simulations, but performance issues and difficulties to manage complex boundary conditions have hindered a wider application. The upcoming of Graphic Processing Units (GPU) Computing offered a possible solution for the performance issue, and methods like the Immersed Boundary (IB) algorithm proved to be a flexible solution to boundaries. Unfortunately, the implicit IB algorithm makes the LBM implementation in GPU a non-trivial task. This work presents a fully parallel GPU implementation of LBM in combination with IB. The fluid-boundary interaction is implemented via GPU kernels, using execution configurations and data structures specifically designed to accelerate each code execution. Simulations were validated against experimental and analytical data showing good agreement and improving the computational time. Substantial reductions of calculation rates were achieved, lowering down the required time to execute the same model in a CPU to about two magnitude orders.Fil: Boroni, Gustavo Adolfo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados. Provincia de Buenos Aires. Gobernación. Comision de Investigaciones Científicas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados; ArgentinaFil: Dottori, Javier Alejandro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados. Provincia de Buenos Aires. Gobernación. Comision de Investigaciones Científicas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados; ArgentinaFil: Rinaldi, Pablo Rafael. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires; Argentina. Provincia de Buenos Aires. Gobernación. Comisión de Investigaciones Científicas; Argentin

Real-time physical engine for floating objects with two-way fluid-structure coupling

A method to simulate graphic animations of objects floating in a water surface in real time is presented. The fluid is simulated by means of the Lattice Boltzmann method for the shallow-waters equations, and the movement of the floating objects is calculated with a Newtonian physical engine suitable for the mechanics of rigid bodies. A two-way interaction between the fluid surface and the object structures is achieved by providing inputs to the Newtonian engine representing buoyancy, drag and lift forces calculated from the solution of the Lattice Boltzmann scheme, which in turn is perturbed by displacement forces acting at the objects boundaries. The method is tested in animation scenes of boats and different adrift objects, showing excellent rendering rates in desktop computers.Fil: Lazo, Marcos Gonzalo. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Tandil; ArgentinaFil: Garcia Bauza, Cristian Dario. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Tandil; ArgentinaFil: Boroni, Gustavo Adolfo. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Tandil; ArgentinaFil: Clausse, Alejandro. Comision Nacional de Energia Atomica. Gerencia Quimica. CAC; Argentina. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires; Argentin

Aplication of the lattice boltzmann method to the simulation of easily penetrable complex obstructions

Se presenta la aplicación del Método de Lattice Boltzmann (LBM) a la simulación de flujos a través de obstrucciones complejas fácilmente penetrables. En particular nos interesa la simulación de flujos laminares estacionarios así como de flujos que presentan oscilaciones periódicas generadas por inestabilidades del flujo laminar. Para la simulación del flujo a través del medio poroso se utilizó un esquema originalmente desarrollado para bordes inmersos en el dominio de cálculo (IB - Immersed Boundary). Para validar los resultados numéricos se contrastaron con mediciones experimentales realizadas con anemometría térmica en un canal de aire y con los resultados de un análisis de estabilidad lineal. Los resultados de las simulaciones en condiciones de flujo estacionario, es decir a bajos números de Reynolds, muestran buena coincidencia con los resultados experimentales. Se pudo observar que el cambio a un modo de flujo con oscilaciones ocurre a un número de Reynolds por encima del valor crítico obtenido del análisis de estabilidad lineal. Finalmente se compararon los campos de las fluctuaciones de velocidad con el modo más inestable obtenido del análisis de estabilidad lineal, pudiendo observar un excelente acuerdo entre ambos.An application of the Lattice Boltzmann Method (LBM) to the simulation of flows through easily penetrable complex obstructions is presented. In particular we are interested in the simulation of stationary laminar flows and flows having periodic oscillations generated by laminar-flow instabilities. For simulating the flow through the porous medium we used a scheme originally developed for immersed boundaries in the calculation domain (IB – Immersed Boundary). To validate the numerical results they were compared with experimental measurements performed by means of thermal anemometry in an air channel, and with the results of a linear stability analysis. The results of the simulations in steady flow conditions, i.e. at low Reynolds numbers, show good agreement with the experimental results. It was observed that the mode transition to oscillating flow occurs at a Reynolds number above the critical value obtained from the linear stability analysis. Finally we compared the fields of velocity fluctuations with the most unstable mode obtained from the linear stability analysis, finding an excellent agreement.Fil: Silin, Nicolas. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Area de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; ArgentinaFil: Boroni, Gustavo Adolfo. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Tandil; ArgentinaFil: Dalponte, Diego David. Provincia de Buenos Aires. Gobernación. Comisión de Investigaciones Científicas; ArgentinaFil: Dottori, Javier Alejandro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Tandil; Argentina. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires; ArgentinaFil: Clausse, Alejandro. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Tandil; Argentina. Comision Nacional de Energia Atomica. Gerencia Quimica. CAC; Argentin

Stenting as porous media in anatomically accurate geometries: A comparison of models and spatial heterogeneity

Modelling intracranial aneurysm blood flow after flow diverter treatment has proven to be of great scientific and clinical interest. One of the reasons for not having CFD as an everyday clinical tool yet is the time required to set-up such simulations plus the required computational time. The speed-up of these simulations can have a considerable impact during treatment planning and device selection. Modelling flow diverters as a porous medium (PM) can considerably improve the computational time. Many models have been presented in literature, but quantitative comparisons between models are scarce.In this study, the untreated case, the explicit definition of the flow diverter wires as no-slip boundary condition and five different porous medium models were chosen for comparison, and evaluated on intracranial aneurysm of 14 patients with different shapes, sizes, and locations. CFD simulations were made using finite volume method on steady flow conditions. Velocities, kinetic energy, wall shear stress, and computational time were assessed for each model. Then, all models are compared against the no-slip boundary condition using non parametric Kolmogorov–Smirnov test.The model with least performance showed a mean K-S statistic of 0.31 and deviance of 0.2, while the model with best values always gave K-S statistics below 0.2. Kinetic energy between PM models varied between an over estimation of 218.3% and an under estimation of 73.06%. Also, speedups were between 4.75x and 5.3x (stdev: 0.38x and 0.15x) when using PM models.Flow diverters can be simulated with PM with a good agreement to standard CFD simulations were FD wires are represented with no-slip boundary condition in less than a quarter of the time. Best results were obtained on PM models based on geometrical properties, in particular, when using a heterogeneous medium based on equations for flat rhomboidal wire frames.Fil: Dazeo, Nicolás Ignacio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tandil; Argentina. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados. Provincia de Buenos Aires. Gobernación. Comision de Investigaciones Científicas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados; ArgentinaFil: Dottori, Javier Alejandro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tandil; Argentina. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados. Provincia de Buenos Aires. Gobernación. Comision de Investigaciones Científicas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados; ArgentinaFil: Boroni, Gustavo Adolfo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tandil; Argentina. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados. Provincia de Buenos Aires. Gobernación. Comision de Investigaciones Científicas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados; ArgentinaFil: Narata, Ana Paula. Universite de Tours; FranciaFil: Larrabide, Ignacio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tandil; Argentina. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados. Provincia de Buenos Aires. Gobernación. Comision de Investigaciones Científicas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados; Argentin

Condiciones De Contorno De Flujos Totalmente Desarrollados Para El Método De Lattice Boltzmann

El método de Lattice Boltzmann (LBM) es un esquema numérico, que opera en un espacio de variables discretas vectoriales internas con más grados de libertad que las estrictamente necesarias para representar un flujo a nivel macroscópico. Para contraer la solución a las variables observables se utiliza una función de cierre, llamada ecuación de equilibrio, que asegura una aproximación a segundo grado de las ecuaciones de transporte correspondientes. En particular, el modelo de Bhatnagar-GrossKrook (BGK) permite simular las ecuaciones de Navier-Stokes. Sin embargo, las condiciones de contorno requieren especial cuidado para conservar el orden de convergencia y disminuir el error del método. En este trabajo se presenta un estudio del tratamiento de las condiciones de contorno de LBM a la salida de un flujo totalmente desarrollado. Se analizan los métodos más utilizados y se propone una solución basada en la maximización de la entropía. Luego de realizar tres estudios numéricos sobre canales rectos con y sin fuerza transversal, se concluyó que la solución propuesta permite obtener mejores resultados sobre las variables macroscópicas observadas en problemas de flujos desarrollados. De esta manera, se pueden realizar experimentos con canales de menor longitud, lo cual se traduce en menor costo de memoria y tiempo de procesamiento.Fil: Dottori, Javier Alejandro. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Boroni, Gustavo Adolfo. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Lazo, Marcos Gonzalo. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Garcia Bauza, Cristian Dario. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Clausse, Alejandro. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas. Grupo de Plasmas Densos Magnetizados; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin

Lattice-Boltzmann Method with immersed boundary conditions for fluid simulations of multiples species

An algorithm to simulate multiples mixtures in single phase with different molecular weights is presented. The coupling of multiple mixtures with the immerse boundary method is proposed. This algorithm is designed to model problems of multiple mixtures using Lattice Boltzmann method which in turn can interact with complex objects modeled with immersed boundaries. The Lattice Boltzmann method is derived from kinetic theory by discretizing multiples fluid Boltzmann equations in which cross-collisions and self-collisions are treated independently. The method is validated against analytical solution in diffusion of binary mixtures and evaluated in ternary mixtures in a curved channel.Fil: Boroni, Gustavo Adolfo. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Tandil; ArgentinaFil: Dottori, Javier Alejandro. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Tandil; Argentin