DualSPHysics: towards high performance computing using SPH technique

La dinamica de fluidos computacional (CFD) proporciona una valiosa herramienta para la investigacion cientifica. Por un lado permite simular experimentos numericos en lugar de reproducir experiencias reales que son caras y en algunas ocasiones imposibles de llevarse a cabo con modelos a escala. Por otro lado, proporciona informacion adicional que no se puede obtener de la observacion experimental, lo cual es especialmente valioso cuando el objeto de estudio no es solo descubrir alguna variable del flujo (como velocidad, presion, etc.) sino tambien entender los procesos fisicos envueltos en el fenomeno. Historicamente, la dinamica de fluidos computacional se ha centrado en metodos que se basan en una malla. Existen dos aproximaciones para describir las ecuaciones fisicas que gobiernan estos metodos. La Euleriana y la Lagrangiana. Los metodos de elementos finitos (FEM) son el paradigma de los metodos Lagrangianos en los cuales se asocia una malla al material y esta se puede deformar imitando la deformacion del material. Un claro ejemplo de la descripcion Euleriana son los metodos de diferencias finitas (FDM) y el metodo de volumenes finitos (FVM). Este ultimo es el mas extendido a la hora de estudiar problemas de dinamica computacional de fluidos. A pesar del exito de estos metodos en las ultimas decadas, ambas, aproximacion Euleriana y Lagrangiana, presentan importantes limitaciones, incluso cuando se usan de manera conjunta. Ademas, el uso de metodos lagrangianos ha experimentado un gran crecimiento en la ultima decada. En estos metodos se substituye la malla por un conjunto de nodos distribuidos de manera arbitraria. Se espera asi que el modelo sea mas maleable y versatil que los convencionales metodos basados en malla, especialmente para aplicaciones con grandes discontinuidades en el flujo del fluido. El metodo SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) se desarrollo por primera vez alrededor del ano 1977 para estudiar problemas astrofisicos y es uno de los mas conocidos metodos libres de malla. Conceptualmente, el metodo usa la teoria de interpolacion para transformar las ecuaciones diferenciales parciales en sumatorios que describen las integrales. A pesar de su pronta aparicion, el modelo no ha despertado la curiosidad de los investigadores a la hora de aplicarlo en otros campos distintos a la astrofisica hasta principios de los 90. Fue entonces cuando el modelo se aplico con exito en campos como el impacto en solidos. En el caso particular de la dinamica de fluidos, quizas el mayor logro de la tecnica SPH ha sido su aplicacion a problemas de fluidos con superficie libre. El grupo SPHysics (www.sphysics.org) ha centrado su investigacion en la propagacion de las olas y en su interaccion con estructuras costeras, tanto en 2D como en 3D.A dinamica dos fluidos computacional (CFD) proporciona unha valiosa ferramenta para a investigacion cientifica. Por un lado permite simular experimentos numericos no lugar de reproducir experiencias reais que son caras e nalgunhas ocasions imposibles de levarse a cabo cos modelos a escala. Por outro lado, proporciona informacion adicional que non se pode obter da observacion experimental, o cal e especialmente valioso cando el obxecto do estudo non e so descubrir algunha variable do fluxo (como velocidade, presion, etc.) senon tamen entender os procesos fisicos envoltos no fenomeno. Historicamente, a dinamica dos fluidos computacional centrouse nos metodos baseados nunha malla. Existen duas aproximacions para describir as ecuacions fisicas que gobernan estes metodos. A Euleriana e a Lagrangiana. Os metodos de elementos finitos (FEM) son o paradigma dos metodos Lagrangianos nos cales se asocia unha malla o material e esta se pode deformar imitando a deformacion do material. Un claro exemplo da descricion Euleriana son os metodos de diferenzas finitas (FDM) e o metodo de volumes finitos (FVM). Este ultimo e o mais estendido a hora de estudar problemas de dinamica computacional de fluidos. A pesar do exito destes metodos nas ultimas decadas, ambas, aproximacions Euleriana e Lagrangiana, presentan importantes limitacions, incluso cando se usan de maneira conxunta. Ademais, o uso de metodos lagrangianos experimentou un gran crecemento na ultima decada. Nestes metodos se substitue a malla por un conxunto de nodos distribuidos de maneira arbitraria. Esperase asi que o modelo sexa mais maleable e versatil que os convencionais metodos baseados en malla, especialmente para aplicacions con grandes descontinuidades no fluxo do fluido. O metodo SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) desenrolouse por primeira vez entorno o ano 1977 para estudar problemas astrofisicos sendo un dos mais conecidos metodos libres de malla. Conceptualmente, o metodo usa a teoria da interpolacion para transformar as ecuacions diferenciais parciais en sumas que describen as integrais. A pesar da sua pronta aparicion, o modelo non despertou a curiosidade dos investigadores a hora de aplicalo noutros campos distintos a astrofisica hasta comezos dos 90. Foi enton cando o modelo se aplicou con exito nos campos como o impacto nos solidos. No caso particular da dinamica de fluidos, quizas o maior logro da tecnica SPH foi a sua aplicacion a problemas de fluidos con superficie libre. O grupo SPHysics (www.sphysics.org) ha centrado a sua investigacion na propagacion das ondas e na sua interaccion cas estruturas costeiras, tanto en 2D como en 3D.