Da poeira estelar à simulação: o poder do refinamento de partículas SPH
- Alvaro Filho
- há 3 dias
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Atualizado: há 1 dia
Acredite ou não, a tecnologia de Hidrodinâmica de Partículas Suavizadas (SPH, na sigla em inglês), que hoje possui aplicações significativas, foi desenvolvida para fins astrofísicos. Originalmente, ela era usada para simular a dinâmica de galáxias e o comportamento de estrelas e planetas:
Monaghan, JJ 1992. “Hidrodinâmica de Partículas Suavizadas.”, Annual Review of Astronomy and Astrophysics 30:543-74. doi: 10.1146/annurev.aa.30.090192.002551.
Assim como na formação cósmica, onde inúmeras partículas se unem em estruturas refinadas para formar estrelas e planetas, o solver SPH do Simcenter STAR-CCM+ 2510 agora oferece refinamento local de partículas. Mas você não precisa ir ao espaço sideral para usar essa capacidade: ela pode ser usada em qualquer aplicação terrena, como, por exemplo, para capturar melhor o óleo ao redor de engrenagens planetárias. E não, engrenagens planetárias não são uma aplicação astrofísica, embora isso seja bem próximo disso:
Aprimore a precisão da simulação com a técnica de refinamento de partículas SPH
Nas versões anteriores do SPH no Simcenter STAR-CCM+, alcançar maior fidelidade exigia refinar o tamanho das partículas, o que inevitavelmente aumentava o tempo de simulação. Por outro lado, optar por simulações mais rápidas significava aumentar o tamanho das partículas, sacrificando a precisão. Este é o dilema clássico da CFD, sem solução fácil.
Agora, com a versão 2510, o Simcenter STAR-CCM+ introduz o refinamento local de partículas para o solver SPH, permitindo aprimorar a precisão do fluxo exatamente onde é necessário, sem a necessidade de partículas de tamanho reduzido em todo o domínio do fluido. Essa nova capacidade aumenta a precisão em áreas críticas, mantendo um tempo de simulação eficiente, oferecendo um equilíbrio entre resultados locais de alta fidelidade e desempenho computacional.
A melhoria de desempenho depende em grande parte da aplicação e do tamanho da área de refinamento. No método de passo de tempo adaptativo do solver SPH, o passo de tempo escolhido ainda é determinado pelo menor tamanho de partícula. Consequentemente, o aumento de desempenho não é impulsionado pelo passo de tempo, mas sim obtido pela redução do número total de partículas em comparação com uma simulação de partículas totalmente refinadas. Como resultado, quanto mais localizadas e específicas forem as áreas de refinamento, maiores serão os ganhos de desempenho.
Como ilustrado na animação, agora você tem a capacidade de criar localmente critérios de refinamento de partículas geométricas usando formas de bloco, cilindro e/ou esfera. No exemplo, critérios de refinamento de cilindro foram definidos em torno de cada engrenagem para capturar com precisão a distribuição de óleo próxima aos dentes.
Sua simulação pode incorporar uma ou várias formas de refinamento, que podem até se sobrepor conforme necessário, especialmente ao lidar com geometrias complexas, como dentes de engrenagem. Você pode definir até 10 níveis de refinamento, permitindo que as especificações de tamanho de partícula sejam inferiores a um micrômetro, partindo de um tamanho de partícula base de 1 mm.
Vale destacar também a capacidade de atribuir um sistema de coordenadas às formas de refinamento. Isso é particularmente útil se você precisar que o refinamento acompanhe um sólido em movimento, garantindo que ele mantenha uma resolução precisa enquanto se desloca ao longo de uma trajetória no espaço.
Para demonstrar o benefício de maior fidelidade para esta aplicação de engrenagem planetária, este gráfico mostra a superfície molhada média ao longo do tempo. Como pode ser observado, a simulação usando refinamento de partículas (tamanho base da partícula de 1 mm usando dois níveis de refinamento) atinge uma precisão que se aproxima bastante da simulação mais refinada (0,25 mm). Em contraste, ela supera a simulação mais grosseira (1 mm), destacando a eficácia do refinamento de partículas no equilíbrio entre precisão e eficiência computacional.
Outra vantagem fundamental do refinamento de partículas é a significativa redução no consumo de memória. Como ilustrado acima, o uso do refinamento de partículas resulta em uma redução de quatro vezes no uso de memória em comparação com a simulação mais refinada, permitindo lidar com casos mais complexos de forma eficiente.
Simplifique a simulação de caixas de engrenagens planetárias com apenas alguns cliques
Assim como os planetas giram em torno do Sol em nosso sistema solar com a mesma facilidade com que os planetas orbitam o Sol, configurar uma caixa de engrenagens planetárias no Simcenter STAR-CCM+ nunca foi tão fácil. A partir da versão 2506, o novo solver de cinemática permite o uso de acoplamentos de engrenagem planetária e junta rotativa, possibilitando a configuração de movimentos com apenas alguns cliques.
Além disso, a versão 2506 introduziu recursos aprimorados de análise de dados. Agora é possível medir a vazão mássica ou várias outras grandezas em planos de seção, graças à compatibilidade do solver SPH com planos restritos e partes derivadas de seções arbitrárias.
Além disso, a visualização da superfície livre agora é possível graças à compatibilidade do solver SPH com a parte da fração de volume líquido derivada da iso-superfície.
Essas melhorias na análise de movimento e dados contribuem para uma configuração mais rápida e para a obtenção de mais informações sobre a solução quantitativa.
Acelere as simulações SPH com fluxos de trabalho de GPU extremamente rápidos
No Simcenter STAR-CCM+ 2510, a simulação SPH proporciona uma experiência extremamente rápida, graças à compatibilidade perfeita com aceleração por GPU em todo o fluxo de trabalho. O solver oferece suporte nativo à aceleração por GPU desde a versão 2410 para GPU única e foi expandido para múltiplas GPUs na versão 2502.
Com a versão mais recente, 2510, os recursos de análise de dados agora também estão disponíveis para hardware de GPU. Como resultado, você pode utilizar e visualizar sondas pontuais, superfícies livres, seções planas restritas e peças derivadas de seções arbitrárias até cinco vezes mais rápido do que antes. Isso permite uma análise de soluções ágil, mantendo seu fluxo de trabalho em um ritmo extremamente rápido.
Neste exemplo específico, a execução da simulação de lubrificação de engrenagens planetárias em uma GPU NVIDIA RTX 6000 alcança uma aceleração de quase cinco vezes em comparação com o uso de 56 núcleos de CPU. Isso demonstra que todo o fluxo de trabalho para esta aplicação, incluindo o refinamento de partículas, está totalmente otimizado e compatível com a aceleração por GPU.
Explore novas fronteiras de simulação com recursos aprimorados de SPH
O Simcenter STAR-CCM+ continua a aprimorar seu solver SPH com melhorias significativas, incluindo refinamento local de partículas, um fluxo de trabalho simplificado para engrenagens planetárias e recursos adicionais de análise de dados, além de uma robusta aceleração por GPU.
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