L.E.S. Simulación numérica de grandes vórtices. Aplicación al flujo en torno a un cilindro cuadrado.

Esta tesis de maestría trata sobre la simulación numérica de grandes vórtices (LES) de flujos turbulentos, en especial de flujos en torno a cuerpos no aerodinámicos. Primeramente, se discute el problema general de la simulación de flujos turbulentos y los métodos existentes para el modelado de la turbulencia. Se presentan luego los fundamentos y estado actual de los métodos LES y se desarrolla la aplicación de la metodología a un caso de estudio. Como caso de estudio se presenta la simulación numérica del flujo turbulento, a Re~2.2x10 a la 4, en torno a un cilindro de base cuadrada, inmerso en una corriente uniforme. Los resultados son comparados con datos experimentales obtenidos de la bibliografía y de ensayos propios en el túnel de viento del IMFIA. También se comparan los resultados con aquellos de simulaciones numéricas realizadas por otros autores para el mismo caso de estudio. El método numérico utilizado está basado en el método de los volúmenes finitos. La discretización espacial consiste en un esquema de diferencias centradas de segundo orden, mientras que la discretización temporal es un esquema implícito de tres pasos. Se ha preferido una metodología numérica simple y se ha tenido especial cuidado en la interpretación física de las aproximaciones realizadas. El efecto de un paso de grilla pequeño en las cercanías de las fronteras del obstáculo ha sido evaluado. El uso de una grilla fina sobre las paredes del cilindro y la imposición directa de la condición de adherencia permitieron simular correctamente las estructuras cercanas a la pared. Estas estructuras son importantes en aplicaciones de la ingeniería del viento, como ser la determinación de los campos de presiones desarrollados en torno a edificios y en especial para determinar los valores máximos de presión

Avoiding synchronization to accelerate a CFD solver in GPU

The caffa3d.MBRi is an open source, GPU-aware, general purpose incompressible flow solver, aimed at providing a useful tool for numerical simulation of real world fluid flow problems that require both geometrical flexibility and parallel computation capabilities to afford tens and hundreds million cells simulations. At the core of this tool there are a number of linear solvers that can be selected according to the characteristics of the problem to solve. For band matrices, the most efficient linear solver included in caffa3d.MBRi is the Strongly Implicit Procedure (SIP) solver. The parallelization of this solver follows the hyper-planes strategy, where the computations in one hyper-plane bare no dependencies and can be executed in parallel, while the hyper-planes have to be processed sequentially. In this work, we analyze this strategy to reach an efficient GPU implementation of the SIP solver for the caffa3d.MBRi. In particular, we design and implement a self-scheduling procedure to avoid the overhead of CPU-GPU synchronization implied by the hyper-planes strategy, outperforming the standard GPU implementation of the SIP by approximately 2x.Agencia Nacional de Investigación e Innovació

Simulación de grandes vórtices de una capa límite turbulenta sobre una superficie rugosa

En este trabajo se simulan mediante el método de grandes vórtices (LES) dos capas límites con diferente valor del parámetro de blending entre un esquema upwind y uno centrado. Estas simulaciones se hacen con el programa de código abierto para resolución de flujos de fluidos viscosos caffa3d.MBRi. Las simulaciones se hacen en un dominio prismático de 3,84m por 3,84m de base por 2m de altura. Se imponen condiciones de periodicidad en las caras laterales, adherencia en la inferior y simetría en la superior. En la superficie inferior, mediante el método de condiciones de borde inmersas, se fija un arreglo de cubos que forman una rugosidad aerodinámica. Se utiliza una malla uniforme en la dirección del flujo y transversal con un paso de 0,01m y variable en la vertical. En total la simulación utiliza 16515072 celdas. El paso temporal es de 0,01s. Los resultados se analizan en base a las tensiones rasantes, el campo de velocidad, la turbulencia, el balance de energía cinética turbulenta y las escalas. Se obtienen concordancias razonables con el flujo esperado. Por otro lado se encuentran algunos problemas que se relacionan con la disipación numérica que agrega el código.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 16.Facultad de Ingenierí

Simulación de grandes vórtices de una capa límite turbulenta sobre una superficie rugosa

En este trabajo se simulan mediante el método de grandes vórtices (LES) dos capas límites con diferente valor del parámetro de blending entre un esquema upwind y uno centrado. Estas simulaciones se hacen con el programa de código abierto para resolución de flujos de fluidos viscosos caffa3d.MBRi. Las simulaciones se hacen en un dominio prismático de 3,84m por 3,84m de base por 2m de altura. Se imponen condiciones de periodicidad en las caras laterales, adherencia en la inferior y simetría en la superior. En la superficie inferior, mediante el método de condiciones de borde inmersas, se fija un arreglo de cubos que forman una rugosidad aerodinámica. Se utiliza una malla uniforme en la dirección del flujo y transversal con un paso de 0,01m y variable en la vertical. En total la simulación utiliza 16515072 celdas. El paso temporal es de 0,01s. Los resultados se analizan en base a las tensiones rasantes, el campo de velocidad, la turbulencia, el balance de energía cinética turbulenta y las escalas. Se obtienen concordancias razonables con el flujo esperado. Por otro lado se encuentran algunos problemas que se relacionan con la disipación numérica que agrega el código.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 16.Facultad de Ingenierí

Simulación de grandes vórtices de una capa límite turbulenta sobre una superficie rugosa

En este trabajo se simulan mediante el método de grandes vórtices (LES) dos capas límites con diferente valor del parámetro de blending entre un esquema upwind y uno centrado. Estas simulaciones se hacen con el programa de código abierto para resolución de flujos de fluidos viscosos caffa3d.MBRi. Las simulaciones se hacen en un dominio prismático de 3,84m por 3,84m de base por 2m de altura. Se imponen condiciones de periodicidad en las caras laterales, adherencia en la inferior y simetría en la superior. En la superficie inferior, mediante el método de condiciones de borde inmersas, se fija un arreglo de cubos que forman una rugosidad aerodinámica. Se utiliza una malla uniforme en la dirección del flujo y transversal con un paso de 0,01m y variable en la vertical. En total la simulación utiliza 16515072 celdas. El paso temporal es de 0,01s. Los resultados se analizan en base a las tensiones rasantes, el campo de velocidad, la turbulencia, el balance de energía cinética turbulenta y las escalas. Se obtienen concordancias razonables con el flujo esperado. Por otro lado se encuentran algunos problemas que se relacionan con la disipación numérica que agrega el código.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 16.Facultad de Ingenierí

Factibilidad del uso de técnicas de simulación numérica en el análisis de la interacción entre el viento y edificios

Este trabajo presenta la simulación numérica de grandes vórtices (LES) del flujo turbulento entorno a un edificio actualmente en construcción del complejo World Trade Center (Mo ntevideo). La simulación fue llevada a cabo utilizando como base el modelo numérico Caffa3d.MB desarrollado en el Instituto de Mecánica de los Fluidos e Ingeniería Ambiental (IMFIA). La primera parte de las simulaciones se hicieron con el objetivo de reproducir las condiciones de viento incidente sobre el complejo edilicio, esto es: una capa límite atmosférica, desarrollada en terreno “tipo mar”. Para ello se utilizó un método “precursor” con dominio periódico, donde la rugosidad del terreno fue incorporada al modelo mediante la adición de un término de arrastre proporcional al volumen ocupado por el elemento de rugosidad presente dentro de la celda. En la segunda parte se simula la capa límite en presencia de los edificios. Se utiliza una malla ortogonal estructurada y el método de condiciones de borde inmersas para fijar la geometría de los edificios. Finalmente se comparan los resultados con los obtenidos en el estudio hecho en el túnel de viento de la Facultad de Ingeniería sobre el mismo edificio, principalmente los referidos al campo de presiones sobre la fachada y las velocidades de viento a una altura de 2 m en escala de prototipo. Para el campo de velocidad se obtuvieron concordancias importantes, salvo en un punto ubicado sobre un fuerte gradiente de velocidad. Los campos de presión media y máxima resultaron correctos en la mayoría de las fachadas. Solo en una cara se obtuvieron discrepancias, atribuibles a la imposibilidad de la malla de resolver las estructuras de flujo que se forman sobre una de las aristas. El modelo tuvo dificultades para reproducir el campo de presiones mínima sobre las fachadas, esto también se puede atribuir a la dificultad que el modelo tiene (con la malla utilizada), en reproducir los vórtices de menor escala, que son los responsables de las presiones mínimas.En consecuencia se plantea realizar nuevas simulaciones refinando el paso de la malla, en todo el dominio y en el entorno del edificio de interés; además es necesario mejorar la estrategia de interpolación utilizada para fijar la geometría de las edificaciones usando el método de condiciones de borde inmersas.Laboratorio de Capa Límite y Fluidodinámica AmbientalGrupo Fluidodinámica Computaciona

Implementation of a consistent co-rotational nonlinear dynamic formula2 tion and application to modeling overhead transmission line

The overhead transmission lines are frequently affected by severe climate events such as thunderstorms or heavy snowfalls. Such events might cause the disconnection of the line, with potentially severe consequences. In the period of 2000- 2007, more than twenty events of disconnection were registered in one of the main transmission lines in Uruguay. Given the particular features of local winds and temperatures, solutions applied in other countries might not be applicable. This demonstrates the necessity to develop numerical models to enhance the prediction capabilities of these events, guaranteeing in that manner a continuous supply of energy. The Universidad de la Repu´blica (UdelaR) counts with research groups working on this problem. The Computational Fluid Mechanics Group (GMFC) is working, since 2004, in the development of computational models of tridimensional fluxes for various applications. The main code developed is called caffa.3d.MBRi and it’s based on the Finite Volume Method, using MPI parallelization. The group called Modelling and Identification in Solids and Structures (MISES) is committed, since its creation in 2018, to the development of numerical codes for structural analysis. The main code developed is called Open Non-linear Structural Analysis Solver (ONSAS) and it is publicly available. In this work a reference formulation for consistent non-linear dynamic analysis of beam structures using a co-rotational approach is implemented in the ONSAS code. The authors are not aware of any other open implementation of this formulation available. The implementation is validated using reference problems and also applied to the modelling of high voltage transmission lines considering realistic geometries and loadings.Agencia Nacional de Investigación e Innovació

Sistema de alerta temprana para previsión de avenidas en la ciudad de Durazno = Early warning system for flood forecast in Durazno city

Desde Mayo de 2011, el Centro Coordinador de Emergencias Departamentales (CECOED) de Durazno cuenta con un Sistema de Alerta Temprana operativo para previsión de las avenidas del río Yí. Este sistema fue desarrollado, en el marco de un proyecto de la red PROHIMET (financiado por la Organización Meteorológica Mundial-OMM), por el Instituto de Mecánica de los Fluidos e Ingeniería Ambiental (IMFIA)-Facultad de Ingeniería, con la coparticipación del Instituto de Teoría y Urbanismo (ITU)-Facultad de Arquitectura, la Dirección Nacional de Aguas (DINAGUA-MVOTMA), el Sistema Nacional de Emergencias (SINAE), la Administración Nacional de Usinas y Transmisiones Eléctricas (UTE), el Instituto Nacional de Meteorología (INUMET), y el Ministerio de Ganadería agricultura y Pesca (MGAP). En este trabajo se describen las principales características del Sistema de Alerta Temprana instalado y se presenta la metodología empleada, información de base y como ha sido su desempeño y eficacia en la gestión de las emergencias frente a tormentas extremas de diferentes características ocurridas entre los años 2011 a 2014