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

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

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

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

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

Aplicación del método de Lattice Boltzmann a la simulación de obstrucciones complejas fácilmente penetrables

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

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

Downstream-Conditioned Maximum Entropy Method for Exit Boundary Conditions in the Lattice Boltzmann Method

A method for modeling outflow boundary conditions in the lattice Boltzmann method (LBM) based on the maximization of the local entropy is presented. The maximization procedure is constrained by macroscopic values and downstream components. The method is applied to fully developed boundary conditions of the Navier-Stokes equations in rectangular channels. Comparisons are made with other alternative methods. In addition, the new downstream-conditioned entropy is studied and it was found that there is a correlation with the velocity gradient during the flow development

Lattice-Boltzmann modeling of unstable flows amid arrays of wires

A lattice-Boltzmann model (LBM) of unstable flows amid easily permeable obstructions consisting of regular arrays of wires is presented. The obstacles are modeled by forces incorporated as source terms in the LBM equation, following the same procedure as the immersed boundary method. Yet the present method differs from the latter in that the structure is represented by a volumetric array of fixed points. Also each structural point exerts reactive forces governed by the Darcy law, rather than by elastic kinematics. The model is validated against two experiments consisting of air flowing in a channel partially obstructed by arrays of wires, finding excellent agreement. The simulations reveal the formation of complex vortical structures amid the wired region, which can be of interest in understanding natural phenomena or practical applications.Fil: Boroni, Gustavo Adolfo. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Centro de Investigaciones en Física e Ingeniería del Centro de la Provincia de Buenos Aires. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tandil. Centro de Investigaciones en Física e Ingeniería del Centro de la Provincia de Buenos Aires. - Provincia de Buenos Aires. Gobernación. Comisión de Investigaciones Científicas. Centro de Investigaciones en Física e Ingeniería del Centro de la Provincia de Buenos Aires; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica; ArgentinaFil: Silin, Nicolas. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Fundación José A. Balseiro; ArgentinaFil: Dalponte, Diego David. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentina. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Centro de Investigaciones en Física e Ingeniería del Centro de la Provincia de Buenos Aires. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tandil. Centro de Investigaciones en Física e Ingeniería del Centro de la Provincia de Buenos Aires. - Provincia de Buenos Aires. Gobernación. Comisión de Investigaciones Científicas. Centro de Investigaciones en Física e Ingeniería del Centro de la Provincia de Buenos Aires; ArgentinaFil: Dottori, Javier Alejandro. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentina. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Centro de Investigaciones en Física e Ingeniería del Centro de la Provincia de Buenos Aires. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tandil. Centro de Investigaciones en Física e Ingeniería del Centro de la Provincia de Buenos Aires. - Provincia de Buenos Aires. Gobernación. Comisión de Investigaciones Científicas. Centro de Investigaciones en Física e Ingeniería del Centro de la Provincia de Buenos Aires; ArgentinaFil: Clausse, Alejandro. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentina. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Centro de Investigaciones en Física e Ingeniería del Centro de la Provincia de Buenos Aires. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tandil. Centro de Investigaciones en Física e Ingeniería del Centro de la Provincia de Buenos Aires. - Provincia de Buenos Aires. Gobernación. Comisión de Investigaciones Científicas. Centro de Investigaciones en Física e Ingeniería del Centro de la Provincia de Buenos Aires; Argentin

An Improved Immersed-Boundary Algorithm for Fluid-Solid Interaction un Lattice-Boltzmann Simulations

An improved algorithm combining the features of the lattice Boltzmann and the immersed-boundary methods is presented. Following previous formulations, the method represents a fluid con-strained by flexible boundaries by means of a force term acting on the cells adjacent to the boundary, which in turn is moved by the fluid. The present al-gorithm introduces a more efficient iteration proce-dure to calculate the fluid-boundary interaction, which facilitates the implementation. The simulations where validated against experimental and analytical data showing good agreement and demonstrating the performance of the method to simulate different kind of fluid-solid interaction.Fil: 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. 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; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tandil; ArgentinaFil: Dalponte, Diego David. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica; ArgentinaFil: Rinaldi, Pablo Rafael. 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. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tandil; 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. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tandil; Argentin