Skip to main content
SUPERVISOR
Mahmud Ashrafizadeh,Ahmad Reza Pishevar
محمود اشرفی زاده (استاد راهنما) احمدرضا پیشه وراصفهانی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Seyed Mohammad Amin Safi
سیدمحمدامین صافی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1387
The Lattice Boltzmann Method has been demonstrated to have an outstanding numerical performance especially for multi-scale, multi-component flows and flows in porous media. Due to its highly explicit nature of solution, LBM is proved to be a unique candidate for parallelism. Recently many efforts have been made to develop parallel LBM simulations on manycore Graphics Processing Units (GPU). Recent researches on implementing LBM simulations on GPUs have been very successful, showing impressive speedups even on single devices. However, the resulting computational performance strongly depends on the developers’ proficiency to harness the maximum efficiency of these new computing architectures.One of the very interesting areas to be investigated by the Lattice Boltzmann method is to employ it for simulating gas mixture flows through packed beds. Packed beds have noticeable significance in industrial systems. The complex process of binary mixture diffusion has itself several applications in fluidic systems such as chemically reacting flows, gas purification, pollutant dispersion and so forth. Diffusion of oxygen and nitrogen, discussed in the present work, is of a crucial importance since these two elements are the major constituents of atmospheric air and their diffusion plays a great role in nitrogen/oxygen purification processes. Of paramount importance for industry, is the flow of oxygen and nitrogen through highly packed beds of spherical particles with adsorption properties. In a recent research by Rastegari and Ashrafizaadeh (2009) LBM was employed to simulate the flow of oxygen and nitrogen mixture in a simple packed bed of spherical particles. Although the results are very promising from the physical point of view, the simulations suffer from extremely long computational times, leading to applying some simplifications to keep the simulation time within affordable bounds. In this thesis a 3D lattice Boltzmann flow solver for the binary flow of oxygen and nitrogen mixture has been implemented on GPUs. It is highly distinguished from the previous researches since it employs complex, highly dense packed beds where the no slip boundary condition is treated accurately on the solid surface of the spherical particles which even doubles the computational cost of the simulations in such media. As such, and to exploit the maximum computational power of GPUs an optimized algorithm is used and the flow is scaled in a way that the traort equations for both species can be managed in parallel. It is shown that, using a wide range of modern graphics processors, either single or in parallel, speedups of more than two orders of magnitudes over single CPUs are achievable; bringing the long, expensive simulations down to reasonable costs and times. Keywords: Graphics processing, Parallel processing, Lattice Boltzmann method, Packed beds, Gas mixtures.
روش شبکه بولتزمن از روش های زیر مجموعه دینامیک سیالات محاسباتی است. تحلیل هایی که با این روش انجام می گیرد برای کاربردهایی نظیر شبیه سازی جریان در محیط متخلخل در ابعاد بسیار ریز بسیار موفق بوده و نیز قادر به شبیه سازی جریان های پیچیده نظیر جریان مغشوش، جریان های با ترکیب چند سیال مخلوط شدنی یا مخلوط نشدنی ویا جریان های با سطح آزاد است. در این روش سیال به شکل بسته هایی مدل می شود که در یک شبکه ی گسسته و تحت گام های زمانی گسسته انتشار می یابند و با یکدیگر در نقاط شبکه برخورد می کنند. از آنجایی که برخوردها تنها به گره های محلی محدود می شود بنابراین محاسبات مربوط به برخوردها فقط به اطلاعات از گره های مجاور بستگی دارد. این ویژگیِ محلی بودن اطلاعات ورودی، روش شبکه بولتزمن را به یک کاندید منحصر به فرد جهت محاسبات موازی تبدیل می کند. اخیرا استفاده از روش پردازش گرافیکی برای محاسبات موازی در روش شبکه بولتزمن رواج زیادی یافته و کارهای انجام شده افزایش خیره کننده در سرعت محاسبات نسبت به استفاده از پردازشگرهای مرکزی پیشرفته را نشان می دهد. این میزان افزایش سرعت، مستقیما بستگی به مهارت برنامه نویس در موازی سازی محاسبات و بهره گیری از حداکثر توانایی سخت افزار دارد. یکی از حوزه های مورد توجه در کاربردهای روش شبکه ی بولتزمن، استفاده از آن برای شبیه سازی جریان مخلوط چند گاز در بستری ذرات فشرده است. بسترهای فشرده، که استوانه های محتوی دانه های جامد (عمدتا کروی) هستند، جایگاه مهمی در صنایع مختلف دارند. از این استوانه ها در عملیات کارماتوگرافی، در میله های سوختی، در فیلترها و نیز به عنوان جایگاهی برای مواد شیمیایی، کاتالیزورها و یا ذرات سوخت در سیستم های با پیشرانش جامد استفاده می شود. در تحقیقی که اخیرا توسط رستگاری و اشرفی زاده (2009) انجام گرفته است ، از روش شبکه ی بولتزمن جهت شبیه سازی جریان در بستر ذرات فشرده استفاده شده است. گرچه شبیه سازی های انجام شده در تحقیق یاد شده موید توانایی بالای روش شبکه بولتزمن برای این گونه مسایل است، اما هزینه ی محاسباتی نسبتا بالای روش همچنان مانع مهمی در توسعه hy;ی شبیه سازی ها به ابعاد و بسترهای واقعی و افزایش دقت شرایط مرزی می باشد. در این تحقیق به منظور افزایش سرعت محاسبات، شبیه سازی جریان مخلوط دو گاز اکسیژن و نیتروژن در بستر ذرات فشرده پیاده سازی گردیده است. پیاده سازی های انجام شده روی انواع مختلف پردازشگرهای گرافیکی، از کارت های گرافیکی ارزان قیمت گرفته تا پردازشگرهای گرافیکی پیشرفته، افزایش چند ده تا چند صد برابری کارایی محاسباتی را نشان می دهد. با کاهش چشمگیر هزینه ی کلی محاسبات، اعمال دقیقتر شرایط مرزی و توسعه ی مساله به ابعاد صنعتی مقرون به صرفه گشته که نتایج آن در این تحقیق ارائه شده است. کلمات کلیدی: پردازش گرافیکی، پردازش موازی، روش شبکه ی بولتزمن، بستر ذرات فشرده، مخلوط گازها

ارتقاء امنیت وب با وف بومی