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Tipo: Dissertação
Título: Simulação de fluidos com PIC usando RBF-FD e grades adaptativas balanceadas
Autor(es): BIANCA NAMIE SAKIYAMA
Primeiro orientador: Paulo Aristarco Pagliosa
Resumo: Em animações baseadas em física, a simulação de fluido por métodos híbridos, ou seja, empregando tanto uma discretização material quanto espacial, é normalmente baseada na subdivisão do espaço por uma grade regular. Essa abordagem, a depender da resolução adotada, pode gerar um grande número de células que não contém fluido e não precisam ser processadas, mas que ainda assim serão visitadas. Com o intuito de contornar esse problema, grades adaptativas foram introduzidas para eliminar células vazias. Nas grades regulares, o cálculo dos operadores diferenciais, que é necessário para a resolver a simulação, pode ser feito pelo método das diferenças finitas. O método aproxima o valor da derivada em um ponto com base em seus vizinhos --- que devem estar alinhados ao ponto em relação aos eixos do domínio e a uma distância do ponto sendo avaliado --- e essa vizinhança é chamada de estêncil. Como nas grades adaptativas os tamanhos das células podem ser diferentes, os estênceis gerados não são aptos para o uso do método das diferenças finitas como na grade regular. Uma alternativa para calcular os operadores diferenciais em uma grade adaptativa é o uso do método de diferenças finitas baseada em funções de base radial (RBF-FD), mas esse método é mais complexo e computacionalmente extensivo que o usado nas grades regulares. A fim de manter os benefícios de uma grade adaptativa e acelerar o cálculo dos operadores diferenciais com RBF-FD, este trabalho propõe o uso de grades adaptativas balanceadas, ou seja, grades em que a diferença de nível entre duas células vizinhas não seja maior que um. O objetivo é, uma vez identificado os estênceis gerados com tal condição, definir um dicionário cujas entradas contém funções que permitem o cálculo acelerado do RBF-FD para cada um desses estênceis possíveis.
Abstract: In physics based animations, hybrid fluid simulations --- simulations that rely on both material and spatial discretization --- are usually based on a regular subdivision of the domain by using a regular Cartesian grid. Depending on the adopted resolution, such an approach can create a large number of cells that do not contain fluid but will still be processed. To avoid this issue, adaptive grids have been introduced to reduce the number of non-fluid cells. With a Cartesian regular grid, the differential operators needed for a numerical fluid solver can be computed using the finite difference method (FDM). FDM gives an approximation of the partial derivatives of a quantity at a grid point based on the quantities of its neighboring grid points. The configuration formed by the target point and its neighbors is called a stencil. However, a stencil formed by the points of an adaptive grid cannot use FDM for computing the differential operators since such points do not form vectors aligned to the domain Cartesian grid. In this case, an alternative is to use the finite difference based on radial basis functions, which enable stencils in generic configurations. To maintain the benefits of using adaptive grids and accelerate the computing of the differential operator with RBF-FD, this thesis proposes a PIC-based fluid solver that employs a graded adaptive grid, that is, one in which the level difference between two neighboring cells is not greater than one. The proposed approach relies on maps whose entries store the RBF weights for a given differential operator and stencil. The map entries are indexed by a key that encodes the cell level and the relative position of the stencil target and its neighbors. The weights are computed only once and reused for the same stencils throughout the simulation.
Palavras-chave: Simulação de fluidos, PIC, RBF-FD, Grades adaptativas
País: Brasil
Editor: Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul
Sigla da Instituição: UFMS
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.ufms.br/handle/123456789/5654
Data do documento: 2023
Aparece nas coleções:Programa de Pós-graduação em Ciência da Computação

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