الگوي شبكه بولتزمن دو- فازي 121- سرعتي براي شبيه‌سازي كاواك‌زايي صوتي با استفاده از پردازش موازي مبتني بر واحد پردازنده ترسيمي (جي‌پي‌يو)

A 121-velocity lattice Boltzmann method for acoustic cavitation simulation by GPU based parallel processing

كاواك‌زايي پديد‌ه‌اي است كه در جريان دو- فازي يا چندفازي با تاثيرات مطلوب و نامطلوب همواره وجود دارد. نياز به مطالعه اين پديده در فهم و بكارگيري آن در جريان‌هاي دو- فازي غيرقابل اجتناب است. از اين‌رو مطالعات زيادي در اين رابطه توسط دانشمندان مرتبط با علوم جريان‌هاي چند فازي صورت گرفته است. صدا به دليل ماهيتش كه همان انتشار تغييرات فشار در يك سيال است هنگام انتشار در يك مايع ممكن است موجب ايجاد كاواك‌ در مايع شود. صدا با حبا‌ب‌ها در مايع و قطرات در گازها اندركنش دارد. در اين مقاله به مقوله كاواك‌زايي در يك مايع در اثر اعمال صدا پرداخته شده است. شناخت اين پديده به‌رغم مطالعات زياد آن با شيوه‌هاي معمول در ديناميك سيالات محاسباتي (سي‌اف‌دي) هم‌چنان در برخي جنبه‌ها ناشناخته است. شيوه شبكه بولتزمن (اِل‌بي‌اِم) دو- فازي به عنوان يك شيوه‌ با رويكرد ميان‌نگرانه، ضمن برخورداري از بسياري از مزاياي رويكرد خُرد‌نگرانه به عنوان يك شيوه كارا و بازوي توانمند در سي‌اف‌دي نوين پذيرفته شده است. از مزاياي قابل ملاحظه آن موازي‌پذيري ذاتي و بكارگيري آسان آن در شرايط پيچيده مرزي است. در مطالعه حاضر با استفاده از الگوي دو- فازي شان-چن و بكارگيري آن در ال‌بي‌ام سه- ‌بعدي 121- سرعتي، براي اولين بار، توانمندي اين شيوه براي مطالعه كاوك‌زايي صوتي نشان داده شده است. اين شيوه اگر چه با فيزيك هم‌خواني بهتري دارد اما در قياس با شيوه‌هاي معمول شبكه بولتزمن، پيچيده‌تر است. پيچيدگي‌هاي ايجاد شده از انتخاب 121- سرعت و زمان اجراي طولاني ناشي از آن، با ايجاد الگوريتم و كد موازي و استفاده از سامانه محاسباتي مبتني بر جي‌پي‌يو با توان محاسباتي بالا تاحد زيادي جبران شده است.

Cavitation, a phenomenon with its desirable and unpleasant effects, is always present in two-phase flows. A great deal of research has been devoted to two-phase flow. Due to its nature, sound while propagating in a liquid will probably cause cavitation in that liquid and will interact with bubbles in it. In this paper by lattice Boltzmann (LB) method, cavitation phenomenon in a liquid under the effect of an applied sound field is considered. Lattice Boltzmann method as a mesoscopic approach, while enjoying many advantages of macroscopic level, has established itself as a capable method in modern CFD. Of its important features, are parallelizability and its easy utilization for complex boundary conditions. In this study, the power of this method is illustrated in investigating an acoustic cavitation by a 121-velocity lattice Boltzmann method using a Shan-Chen two-phase model. Although, this method has better conformity with physics of this problem but it requires more computational time than current LB methods. Utilizing the graphic processing unit (GPU) technology will compensate the long computational time required for this proposed LB model.