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

Corrección de modelos digitales de elevación con imágenes multi-espectrales

Se presenta una metodología extensiva para detectar áreas arboladas en zonas rurales de la provincia de Buenos Aires empleando imágenes satelitales multiespectrales Landsat. La máscara generada permite corregir las falencias de los Modelos Digitales de Elevación (MDE) radar como los Shuttle Radar Topographic Mission (SRTM). En estos modelos, la presencia de árboles genera errores en las mediciones ya que las ondas del radar no penetran la vegetación, dando valores de altura de terreno similares a las copas de los árboles. Con base en imágenes Landsat se ajustaron funciones de umbralado independientes para cada espectro. Con la aplicación sucesiva de estos umbrales se logra una máscara que se proyecta sobre el MDE. La máscara luego es corregida evaluando los saltos de altura en las fronteras de la misma.\nPor último, se aplica un algoritmo de corrección al MDE.XIII Workshop Computación Gráfica, Imágenes y Visualización (WCGIV

Incremento de semántica en fases iniciales de transformación de modelos de datos

El Diagrama de Entidades y Relaciones Extendido es una pieza clave en el modelado de datos, a partir del cual mediante un proceso de transformación genera el Esquema Físico de Datos basado en un Modelo Objeto(Relacional. En el presente trabajo se identifican y se proponen soluciones a varios problemas encontrados en dicho proceso, originados por la falta de herramientas y metodologías que permitan expresar la semántica de determinadas situaciones. Varias de estas soluciones son aun objeto de especificación, en este trabajo se detallan las fases iniciales del proceso de transformación sobre las cuales ya se ha cubierto completamente dicha especificación y se describen las transformaciones necesarias en las siguientes fases

Corrección de modelos digitales de elevación con imágenes multi-espectrales

Se presenta una metodología extensiva para detectar áreas arboladas en zonas rurales de la provincia de Buenos Aires empleando imágenes satelitales multiespectrales Landsat. La máscara generada permite corregir las falencias de los Modelos Digitales de Elevación (MDE) radar como los Shuttle Radar Topographic Mission (SRTM). En estos modelos, la presencia de árboles genera errores en las mediciones ya que las ondas del radar no penetran la vegetación, dando valores de altura de terreno similares a las copas de los árboles. Con base en imágenes Landsat se ajustaron funciones de umbralado independientes para cada espectro. Con la aplicación sucesiva de estos umbrales se logra una máscara que se proyecta sobre el MDE. La máscara luego es corregida evaluando los saltos de altura en las fronteras de la misma.\nPor último, se aplica un algoritmo de corrección al MDE.XIII Workshop Computación Gráfica, Imágenes y Visualización (WCGIV

Autómatas celulares sobre grafos de nodos irregulares: aplicación a la simulación de escurrimientos superficiales en zonas de llanura

El modelo AQUA-GRAPH de escurrimiento superficial específico para zonas de llanuras se basa en la tecnología de autómatas celulares (AC), de amplia utilización en la simulación de procesos naturales. Este modelo se implementa sobre una estructura de datos grafo. Este diseño da una mayor flexibilidad al modelo de escurrimiento y al simulador permitiendo realizar diferentes tipos de discretizaciones con el objeto de mejorar la performance y dar diferentes niveles de detalle a la simulación. En el presente trabajo se perfeccionó el autómata AQUA-GRAPH para poder trabajar con células de diferente tamaño teniendo en cuenta el área y el volumen de agua acumulado en cada celda. Sobre este esquema se desarrolló un algoritmo para discretizar el terreno agrupando conjuntos de celdas con similares características en celdas de mayor área. Se utilizaron diferentes criterios para fusionar celdas como, diferencia de altura, gradiente acumulado y curvatura acumulada. Se evaluaron estas modificaciones sobre escenarios reales y analizando la sensibilidad a los diferentes parámetros. Los resultados permitieron mejorar notablemente la performance de las simulaciones al reducir la cantidad de elementos a tratar sin perder precisión o nivel de detalle en las zonas más importantes

Informe científico de investigador: Rinaldi, Pablo (2013-2014)

Durante los años 2013 y 2014 el investigador continuó con su línea de trabajo en el desarrollo de modelos de simulación numérica de fluidos basados en autómatas de Lattice Boltzmann (LBM) especialmente adaptados para sacar el máximo rendimiento del procesamiento paralelo disponible hoy día en las unidades de procesamiento gráfico (GPU). En colaboración con otros invesitgadores del grupo PLADEMA se evolucionó el modelo desarrollado durante el doctorado y postdoctorado extendiendo su campo de aplicaciones mediante la integración de diferentes condiciones de contorno. Se trabajó específicamente integrando un algoritmo de frontera inmersa que permite representar superficies irregulares curvas, superficies móviles e inclusive medios porosos. La complejidad de esta integración de modelos reside en que el método de frontera inmersa es un algoritmo de tipo implícito y que requiere una estructura de datos adicional con una disposición no regular mientras que el modelo de Lattice Boltzmann desarrollado y optimizado para correr en GPU es totalmente explícito y con una estructura de datos regular. Los resultados de estos desarrollos están siendo evaluados para su publicación en un Journal internacional. En el años 2014 el grupo PLADEMA inició un Programa de 3 años entre la UNCPBA y la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) para el desarrollo de software para aplicaciones especiales denominado PIDSAE. El investigador Pablo Rinaldi es el responsable para UNCPBA del proyecto en el que se incluye el desarrollo de simuladores de fluidos utilizando tecnología GPU y procesamiento de imágenes médicas. También sobre fines de 2014 se inicia un proyecto a través de la Secretaría de Políticas Universitarias para el desarrollo de Modelos de Elevación de precisión para grandes extensiones, comenzando con el partido de Necochea. El proyecto tiene como objetivo el desarrollo de una metodología para corregir Modelos de Elevación de libre acceso y mejorar su nivel de precisión contrastando con mediciones locales aplicando algoritmos y técnicas extensivas. Los responsables del proyecto son el Dr. Rinaldi y su director Marcelo Vénere. En el pasado el ambos han desarrollado modelos similares para su utilización en simuladores de escurrimiento superficial también de desarrollo propio, con el que se han simulado exitosamente inundaciones reales y se pueden realizar análisis de riesgo hídrico. Este proyecto tiene mucha relación con los intereses de la Porvincia de Buenos Aires

Informe científico de investigador: Rinaldi, Pablo Rafael (2016)

El investigador Pablo Rinaldi forma parte como responsable y coordinador para la UNCPBA del convenio PIDSAE (Programa para el Desarrollo de Software para Aplicaciones Especiales) que se inició en 2014 y finalizó en 2016. Este proyecto incluye tres desarrollos principales: 1. La construcción de una CAVE (Competer Assisted Virtual Environment) en instalaciones de la CNEA y desarrollo de aplicaciones de soporte para el análisis de diseño funcional, operaciones y maniobras en el edificio de ASECQ-Atucha I; 2. El desarrollo de simuladores de flujos complejos como elementos finitos para la simulación de separación de isótopos, para inyección de flujo supersónico y para termohidráulica en reactores; y 3. El procesamiento, segmentación y caracterización de imágenes médicas. Dentro de este proyecto el Dr. Rinaldi se encarga de la dirección de personal técnico contratado para las diversas áreas, así como la coordinación con los investigadores referentes de cada proyectos. El Dr. Rinaldi también forma parte como responsable del PICT Start-Up financiado por elFONCyT para el desarrollo de Modelos computacionales para el planeamiento deltratamiento de Aneurismas Intracraneales con Desviadores de Flujo. Se participa en lalínea relacionada al estudio de modelos de medios porosos para representardesviadores de flujo en la simulación dinámica de fluidos computacional. Durante 2016, conjutnamente con el Dr. Alejandro Clausse, se implementó un método de homogenización de las ecuaciones de Navier- Stokes en un elemento de volumen representativo (EVR) del flujo en un medio permeable utilizando Autómatas de Redes de Boltzmann. El método se basa en el modelo multiescala variacional que conserva la potencia virtual del elemento en la escala micro y macro. Los primeros resultados fueron publicados en el XV Congreso de Matemática Computacional e Industrial MACI En 2016 el Dr. Rinaldi participó como comité organizador del 12th International Symposium on Medical Information Processing and Analysis SIPAIM 2016 que se realizó en la ciudad de Tandil entre el 5 y 7 de Diciembre de 2016

Informe científico de investigador: Rinaldi, Pablo Rafael (2015)

El Dr. Pablo Rafael Rinaldi es Investigador Asistente dentro del grupo PLADEMA Centro Asociado a la CIC ubicado en la Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires bajo la dirección del Dr Marcelo Vénere. Su área de investigación es la aplicación del procesamiento paralelo sobre GPUs a modelos de simulación computacional. El Dr. Rinaldi es también Profesor Adjunto en la Facultad de Ciencias Exactas y es actualmente el responsable y coordinador para la UNCPBA del convenio PIDSAE celebrado entre la CNEA y la UNCPBA para el desarrollo de software específic

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