Development of an Euler-Lagrangian framework for point-particle tracking to enable efficient multiscale simulations of complex flows

Abstract

In this work, we implement, test, and validate an Euler-Lagrangian point-particle tracking framework for the commercial aerodynamics and aeroacoustics simulation tool ultraFluidX, which is based on the Lattice Boltzmann Method and optimized for GPUs. Our framework successfully simulates one-way and two-way coupled particle-laden flows based on drag forces and gravitation. Trilinear interpolation is used for determining the fluid's macroscopic properties at the particle position. Object and domain boundary conditions are implemented using a planar surface approximation. The whole particle framework is run within three dedicated GPU kernels, and data is only copied back to the CPU upon output. We show validation for the velocity interpolation, gravitational acceleration, back-coupling forces and boundary conditions, and test runtimes and memory requirements. We also propose the next steps required to make the particle framework ready for use in engineering applications.

In dieser Arbeit implementieren, testen und validieren wir Euler-Langrangsches Punkt-Teilchen Framework für das kommerzielle Aerodynamik- und Aeroakustik-Simulationsprogramm ultraFluidX, das auf der Lattice-Boltzmann-Methode basiert und GPUs optimiert ist. Unser System simuliert erfolgreich ein- und zweiseitig gekoppelte partikelbeladene Strömungen auf der Grundlage von Widerstandkräften und Gravitation. Zur Bestimmung der makroskopischen Eigenschafter der Flüssigkeit an der Partikelposition wird eine trilineare Interpolation verwendet. Die Randbedingungen des Objekts und des Bereichs werden durch eine planare Oberflächenapproximation implementiert. Das gesamte Partikelframework wird in drei dedizierten GPU-Kernels asgefährt, und die Daten werden nur bei Ausgabe zurück auf die CPU kopiert. Wir zeigen die Validierung der Geschwindigkeitsinterpolation, der Gravitationsbeschleunigung und der Rückkopplungskräfte und testen Laufzeiten und Speicherbedarf. Wir schlagen auch die nächsten Schritte vor, die erforderlich sind, um das Partikelframework für den Einsatz in technischen Anwendungen bereit zu machen.