Generazione di immagini Schlieren da simulazioni fluidodinamiche su architettura GPU

The experimental Schlieren optical technique is often used to study supersonic flows or flows affected by relevant compressibility effects. The Schlieren technique allows to retrieve a representation of the flow field as a two-dimensional picture in a gray scale or false colors, in which the local luminosity is proportional to the integral of the density gradient along the propagation of the light rays. In the present thesis, a computational tool was developed to reproduce the same Schlieren picture from numerical data obtained by means of computational fluid dynamics (CFD) simulations. This technique is known as numerical Schlieren. The physical process behind the image construction is simulated from the numerical flow field by computing the trajectories of the photons of the light beam crossing the measurement volume. The CFD solver used to compute the density field for diverse supersonic flows is the open-source SU2 solver. Within the software VirtuaSchlieren, simulation techniques available in the open literature for compressible flows of dilute gases are generalised to non-ideal flows, using the well-known Lorentz-Lorenz relation for the evaluation of the refractive index. Search algorithms for unstructured data sets were developed and implemented in multi-processor architectures, including both standard (CPU) and graphics unit ones (GPU). Results are in good agreement with known analytical solution for simple geometry and with available experimental data.During the past years, a tool that allow to compare this technique with the CFD has been developed : the numerical Schlieren. It consists in a reproduction of the physical phenomenon using a flow field and a numerical simulation of a beam of photons. In this thesis a numerical Schlieren has been developed, the VirtuaSchlieren with the aim of studying non-ideal compressible flows introducing a new equation to calculate the index of refraction. The CFD solver used to calculate the density field is the free software SU2. In order to improve code performances, new search algorithms for sets of unsorted data has been developed with CPU and GPU parallelization. Finally, the results were compared with known analytical solutions for simple geometries and with experimental tests available in the literature.

Per studiare sperimentalmente correnti supersoniche o in generale caratterizzate da importanti effetti di comprimibilità, viene spesso usata una tecnica ottica chiamata Schlieren. Questa tecnica permette di ottenere una rappresentazione del campo di moto attraverso la realizzazione di un'immagine bidimensionale in scala di grigi o in falsi colori, in cui la luminosità puntuale è proporzionale all'integrale dei gradienti di densità in direzione normale a quella dell'asse ottico. In questo lavoro di tesi è stato sviluppato uno strumento di calcolo per realizzare la stessa rappresentazione a partire da dati numerici ottenuti da simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD). Questa tecnica è nota come Schlieren numerico. Il processo fisico di costruzione dell'immagine Schlieren viene simulato a partire dal campo di moto numerico calcolando le traiettorie di un fascio di fotoni che attraversano il campo di misura. Il solutore CFD utilizzato per ricavare il campo di densità per diverse correnti supersoniche è il software libero SU2. Nel codice VirtuaSchlieren le tecniche di simulazione presentate in letteratura per il calcolo su correnti di gas diluiti sono estese a correnti di gas in regime non-ideale, sfruttando la nota relazione di Lorentz-Lorenz per il calcolo dell'indice di rifrazione. Sono stati anche sviluppati algoritmi di ricerca per insiemi di dati non ordinati che sono state implementate su architetture multi-processore sia standard (CPU) che basate su unità grafiche (GPU). I risultati ottenuti sono in buon accordo con soluzioni analitiche note per geometrie semplici e con dati sperimentali disponibili in letteratura.