A Tensor Library for Scientific Computing

The majority of physical phenomena and their computational simulations are described mathematically in terms of tensors and their different algebraic operations. Possibly the most used tensors are the ones of rank 1 and 2, which correspond to the algebraic concepts of vectors and matrices, respectively. Nevertheless, higher rank tensors (specially 3 and 4) appear at all times in different branches of physics and in numerical methods. One of the major drawbacks of high performance computing is that the code necessary to perform such tensor operations looks different and it is several lines longer than the corresponding one-line mathematical representation. Here we present a C++ tensor library, called LTensor, that we have developed using modern concepts of object oriented design and expression templates. As it will be shown, the LTensor library is able to mimic the classical indicial notation and follows Einstein convention about indices. Furthermore, it has other additional features than distinguish it from other libraries based on similar concepts: dynamic dimension size, arbitrary contraction order, customizable storage, inherited class structure, arbitrary looping positions on indicial notations, etc.Fil: Limache, Alejandro Cesar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Rojas Fredini, Pablo Sebastián. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; Argentin

Simulación de Fluidos en Tiempo Real Usando SPH

Este trabajo presenta las principales características de una formulación computacional desarrollada por los autores y basada en el método llamado Smoothed Particle Hydrodynamics. La formulación resuelve numéricamente las ecuaciones de Navier-Stokes permitiendo la simulación de dinámica de fluidos, tanto compresibles como casi-incompresibles. El método es simple, explícito, computacionalmente rápido y apto para la computación en paralelo. Estas características, junto con el empleo de técnicas avanzadas de computación y visualización han sido utilizadas para el desarrollo de una plataforma de simulación virtual de dinámica de fluidos con la que se puede cambiar interactivamente propiedades físicas del fluido, condiciones de contorno como el movimiento de paredes o la aparición de fuerzas externas, así como también parámetros del método computacional (nivel de viscosidad artificial, tipo de integrador temporal, etc.). La mencionada interacción con el usuario ocurre en tiempo real y mientras transcurre la simulación. La velocidad de cómputo y la capacidad de interacción permiten resolver problemas de manera dinámica y con mayor rápidez, aprovechando que se puede ver y estudiar en tiempo real la respuesta del fluido a cambios de diseño o de configuración del problema físico a resolver.Fil: Rojas Fredini, Pablo Sebastián. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química (i); ArgentinaFil: Limache, Alejandro Cesar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química (i); Argentin

Arquitectura Orientada a Componentes Basada en Reflexión para Motores Físicos

Junto con la evolución de las computadoras, han surgido nuevos lenguajes y paradigmas de programación con características destacables que abren interesantes posibilidades en el campo de la simulación y de la visualización en tiempo real. En el presente trabajo se explotan algunos de estos nuevos conceptos para el desarrollo de un motor de simulación física en tiempo real. El motor de simulación utiliza primariamente una arquitectura orientada a componentes y basada en la propiedad de reflexión que poseen algunos lenguajes modernos como los basados en .NET de Microsoft. El nuevo diseño permite desarrollar simuladores de objetos físicos cuyas propiedades pueden ser modificadas en tiempo de ejecución evitando la necesidad de crear interfaces con lenguajes externos de "scripting". El diseño también permite el agregado de nuevos componentes (con nuevos fenómenos u objetos físicos) y la generación automática de interfaces gráficas y de configuración. Los distintos componentes pueden estar escritos en diferentes lenguajes y pueden agregarse de manera transparente. Como ejemplo concreto de su capacidad, se muestra la aplicación del motor en la simulación simultanea en tiempo real de sólidos rígidos. El objetivo del presente desarrollo es generar una plataforma eficiente para la simulación de vehículos terrestres, aéreos y fluidos en tiempo real.Fil: Rojas Fredini, Pablo Sebastián. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico Para la Industria Química (i); ArgentinaFil: Limache, Alejandro Cesar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico Para la Industria Química (i); Argentin

Simulación Interactiva de Dinámica de Fluidos con Transferencia de Calor mediante Métodos de Partículas

Este trabajo esta dedicado a mostrar los primeros resultados obtenidos en simulación de problemas acoplados de dinámica de fluidos y de transferencia de calor usando el método de partículas llamado Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). La técnica empleada consiste en la solución simultánea de las ecuaciones de dinámica de fluidos y de transferencia de calor en formulación Lagrangiana usando una discretización tipo SPH desarrollada en el CIMEC. Aquí se presentan las primeras validaciones del modelo y los primeros ejemplos de su aplicación. En el trabajo se podrá apreciar como influyen los fenómenos de advección en la transferencia de calor. Los ejemplos y el código han sido corridos en una plataforma de simulación también desarrollada en el CIMEC. La plataforma permite cambiar interactivamente propiedades físicas del fluido, condiciones de contorno como el movimiento de paredes, o su temperatura, todo ello interactivamente mientras transcurre la simulación. El desarrollo permitirá la solución y simulación interactiva de variados e interesantes problemas de convección natural y transferencia de calor.Fil: Limache, Alejandro Cesar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico Para la Industria Química (i); ArgentinaFil: Rojas Fredini, Pablo Sebastián. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico Para la Industria Química (i); ArgentinaFil: Fachinotti, Victor Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico Para la Industria Química (i); Argentin

Diseño de un Moderno Simulador de Vuelo en Tiempo Real

Este trabajo presenta detalles del diseño del Simulador de Vuelo que se está desarrollando en el Centro Internacional de Métodos Computacionales en Ingeniería (CIMEC). El Simulador de Vuelo permite recrear por computadora el comportamiento de un avión real y está capacitado para responder mediante hardward (que simula la cabina del avión) al comando de un piloto. Un sistema de visualización virtual permite ver las propiedades del terreno y visualizar en tiempo real el movimiento del avión con respecto al mismo. También se puede ver el movimiento del avión desde tierra, desde el aire o inclusive desde el punto de vista del piloto. Además de las aplicaciones educativas o de entrenamiento que tiene un simulador, existen aplicaciones científicas diversas. Una de ellas es que mediante el simulador se pueden diseñar y testear en tiempo real sistemas de control automático. Los sistemas de control automático y la lectura de señales de los Sistemas de Navegación Inercial forman la piedra angular para el desarrollo de Vehículos Aéreos No-Tripulados (UAVs). Por lo tanto, en el futuro, el simulador será utilizado como plataforma de desarrollo virtual de UAVs. En este trabajo se describen los modernos conceptos de diseño con que el simulador se está construyendo. Se muestran como se simulan las distintos sistemas que forman el avión y como éstos se pueden programar independientemente como simples plugins. Se muestran las técnicas de visualización que corren en paralelo en hilos de proceso independiente.Fil: Limache, Alejandro Cesar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico Para la Industria Química (i); ArgentinaFil: Rojas Fredini, Pablo Sebastián. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico Para la Industria Química (i); ArgentinaFil: Murillo, Marina Hebe. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico Para la Industria Química (i); Argentin

La Violación de la Segunda Ley de la Termodinámica por el Método de Elementos Finitos

El presente artículo pretende alertar sobre un hecho grave: la Segunda Ley de la Termodinámica es violada como consecuencia de la discretización numérica resultante de la aplicación del Método de Elementos Finitos (FEM, por Finite Element Method). En este trabajo se estudia la consistencia termodinámica de las formulaciones FEM. El estudio está basado en el análisis de la ecuación del calor 1-Dimensional (1D) y 2-Dimensional (2D). Los resultados presentados afectan a todas las simulaciones de Elementos Finitos relacionadas a Dinámica de Fluidos y a Transferencia del Calor.Fil: Limache, Alejandro Cesar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico. Centro de Investigación de Métodos Computacionales; ArgentinaFil: Rojas Fredini, Pablo Sebastián. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico. Centro de Investigación de Métodos Computacionales; ArgentinaFil: Murillo, Marina H.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico. Centro de Investigación de Métodos Computacionales; Argentin

Visualización de Terrenos en Tiempo Real para Simuladores de Vuelo

Uno de los mayores desafíos para la implementación de simuladores de vuelo es la generación de un sistema de visualización de terrenos que permita representar de manera realista la superficie del planeta. Fundamentalmente se pueden observar dos dificultades: el manejo de mallas de millones de vértices y el almacenamiento de texturas de imágenes aéreas para brindar mayor realismo. En el presente trabajo se desarrolla un sistema de visualización de terrenos a gran escala íntegramente en hardware de video explotando las ventajas de los GPU de última generación. Para ello se proponen algoritmos para manejar el nivel de detalle de la superficie y la generación de texturas a partir de diccionarios utilizando máscaras que permiten optimizar el espacio requerido para su almacenamiento. Se dan detalles de la implementación y se muestran algunos resultados obtenidos con la presente técnica.Fil: Rojas Fredini, Pablo Sebastián. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Murillo, Marina Hebe. Universidad Nacional del Litoral; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Limache, Alejandro Cesar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; Argentin

Control longitudinal para vuelo autónomo de aviones basado en el algoritmo proporcional, integral, derivativo (pid)

En este trabajo se presenta el desarrollo de un sistema de control automático longitudinal para un modelo completo de avión basado en el control proporcional, integral y derivativo (PID). Para el control del avión, se diseñaron dos sistemas de control: uno comanda la entrada de control deflexión de la columna de propulsión y otro comanda la deflexión del elevador. Se ha implementado el sistema de control propuesto en el simulador de vuelo Excalibur, desarrollado por los autores, y se aplican los controles PID a un modelo de avión Cessna 172 completo, con 6-grados de libertad (6-DOF). El correcto funcionamiento del piloto automático desarrollado se prueba aquí en una maniobra de vuelo autónomo: ascenso a una altitud preestablecida a velocidad constante. Se muestran los resultados obtenidos mediante la simulación de la maniobra, y se verifica el correcto funcionamiento del piloto automático propuesto. Finalmente, se comparan los resultados obtenidos con otra técnica de control, aquella denominada Model Predictive Control (MPC).Fil: Murillo, Marina Hebe. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico. Centro de Investigación de Métodos Computacionales; ArgentinaFil: Limache, Alejandro Cesar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico. Centro de Investigación de Métodos Computacionales; ArgentinaFil: Giovanini, Leonardo Luis. Universidad Nacional del Litoral; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Cientificas y Tecnicas. Centro Cientifico Tecnol.conicet - Santa Fe. Instituto de Investigacion En Señales, Sistemas E Inteligencia Computacional; ArgentinaFil: Rojas Fredini, Pablo Sebastián. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico. Centro de Investigación de Métodos Computacionales; Argentin

Evaluation of weakly compressible SPH variants using derived analytical solutions of Taylor-Couette flows

Smoothed particle hydrodynamics (SPH) is a relatively young meshless particle method used in fluid simulation. The method has not yet reached a mature state and still is in the need of rigorous evaluation tests that contribute to its consolidation as a reliable numerical method. With this need in mind, the first portion of this article is dedicated to presenting a new set of validation tests. The tests consist of different types of planar Taylor?Couette flows which will be equipped with their corresponding Navier?Stokes equations? analytical solutions. Analytical solutions have been found for compressible and weakly-compressible (WC) regimes. The second part of this article is dedicated to using the obtained solutions as evaluation tests of a WC-SPH variant based on the divergence form of the Navier?Stokes equations and on the simultaneous use of different kernels. The proposed variant is compared to other previous WC-SPH variants commonly used in the literature. Velocities as well as pressure profiles can be compared with the provided analytical solutions. The performed numerical experiments show that, although all the tested WC-SPH variants match quite correctly the theoretical velocity profile, the previous variants present highly noisy pressure profiles or even give erroneous pressure solutions. Among the evaluated WC-SPH formulations, the proposed variant does a better job in matching, both, velocity profiles and pressure profiles with much lower levels of noise.Fil: Rojas Fredini, Pablo Sebastián. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico. Centro de Investigación de Métodos Computacionales; ArgentinaFil: Limache, Alejandro Cesar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico. Centro de Investigación de Métodos Computacionales; Argentin