Performance study of an immersed boundary DNS code applied to the flow around a confined circular cylinder

Abstract Aim of the present thesis is both to investigate a particular flow and to study the performace of the numerical analysis. The work consists in the study of the flow around a circular cylinder - con- fined within a periodical channel flow. The high blockage ratio - due to the presence of the body between the two confining walls - contributes to make peculiar the phenomena taking place. The problem has been addressed via direct numerical simulation using two different softwares. These two programs differ in two important features: the algorithms used for solving the differential equations and the method used to process the surfaces. The main objective is to verify if a performance gain is achievable using an immersed boundary scheme. Therefore, the computational cost of an immersed boundary code as well as of a classical one - OpenFOAM - was evaluated. The results are comprehensive of the analysis of the paralleliza- tion in both codes. OpenFOAM indeed provided a useful reference for the flow study and the computing perfomance. It represents the current state of the art and it was used compared to the immersed boundary code - called CPL. This compari- son included the results of the study of the fluid dynamics phenomena. This englightened the advantages and disadvantages of both softwares in terms of efficiency and accuracy. The ultimate purpose is to develop the current possibilities to carry on DNS simulations in academic and industrial research.

Sommario La presente tesi è stata redatta ed affrontata cercando di perseguire un duplice scopo; di investigazione e ricerca fluidodinamica cosı̀ come, al con- tempo, di studio prestazionale delle indagini numeriche effettuate. In questa trattazione è stato studiato il problema della corrente turbolenta attorno ad un cilindro, confinato tra due pareti parallele di un canale piano periodico. L’elevato bloccaggio, oltre che la presenza stessa del corpo tozzo all’interno di un channel flow, contribuiscono a rendere il presente studio peculiare per il problema trattato e dunque per la fenomenologia della cor- rente. Il problema è stato affrontato mediante simulazione numerica diretta, utiliz- zando due software profondamente diversi per algoritmi risolutivi ed elabo- razione delle superfici. I risultati sono stati confrontati al fine di verificare se e quanto sia possibile un guadagno prestazionale in termini di costo com- putazionale utilizzando uno schema a contorni immersi, con il fine ultimo di migliorare le odierne possibilità di affrontare simulazioni DNS a fini di ricerca. Questo confronto ha riguardato anche i risultati fluidodinamici delle simu- lazioni, mettendo in luce limiti e possibilità di entrambi i codici. Difatti, il riferimento fornito da un codice opensource, verificato e ampia- mente diffuso come OpenFOAM, ha permesso di portare avanti un confronto critico; le sue prestazioni ed il suo funzionamento sono stati analizzati e com- parati a quelli di un codice a contorni immersi innovativo (chiamato CPL). Questo ha reso possibile evidenziare delle strategie più efficienti o più ac- curate, sia dal punto di vista della gestione del calcolo parallelo, che nella risoluzione delle equazioni di Navier-Stokes.