An innovative scalable Lagrangian particle tracking approach for distributed-memory computation of dispersed phase flows

Particle tracking of a dispersed phase within an underlying flow field is routinely used to analyse both industrial processes and natural phenomena. The efficiency of parallel algorithms to simulate fluid-particle systems is strongly influenced by the different evolution of the flow and the particles dynamics. In unsteady simulations, the parallel efficiency is even more critical because the flow solution changes over time. Indeed, a domain partitioning based on particle workload is possibly sub-optimal in terms of the number of fluid volume elements associated to each process. An efficient mesh partitioning based on graph representation is implemented. It can handle unstructured hybrid meshes composed by triangles and quadrilaterals in two spatial dimensions, and by tetrahedra, hexahedra, prisms, and pyramids in three dimensions. In order to obtain a domain decomposition to efficiently follow the particle trajectories, a preliminary solution is computed to suitably tag the fluid domain cells. The obtained weights represent the element probabilities to be crossed by particles and are used by the load-balancing algorithm to partition the mesh. Another challenging aspect of a scalable implementation is the initial particle location due to the arbitrary shapes of each subdomain. An innovative parallel ray tracing particle location algorithm is presented. It takes advantage of a global identifier for each particle, resulting in a significant reduction of the overall communication among processes. In addition, the parallel particle evolution and collection efficiency computation are described. The proposed approach is tested against reference cases for the coupled flow-particle simulation of ice accretion over 2D and 3D geometries. Two different cloud droplet impact test cases have been simulated: a NACA 0012 wing section and a NACA 64A008 swept horizontal tail. Furthermore, a cloud droplet impact test case starting from an unsteady flow around a 3D cylinder has been simulated to evaluate the code performances.

Gli algoritmi per il tracciamento di particelle disperse in un fluido sono solitamente utilizzati per analizzare sia processi industriali che fenomeni naturali. L'efficienza degli algoritmi paralleli per simulare sistemi fluido-particella è fortemente influenzata dalla diversa evoluzione del fluido e dalla dinamica delle particelle. Nelle simulazioni instazionarie, l'efficienza è un aspetto ancora più critico perché la soluzione fluida cambia nel tempo. Un partizionamento del dominio basato solo sull'evoluzione delle particelle può essere non ottimale in termini di numero di elementi associati a ciascun processo. In questo lavoro, è stato implementato un efficiente partizionamento della mesh basato su una rappresentazione a grafo. L'algoritmo può gestire mesh ibride non strutturate composte da triangoli e quadrilateri in due dimensioni e da tetraedri, esaedri, prismi e piramidi in tre dimensioni. Al fine di ottenere una decomposizione del dominio per seguire in modo efficiente le traiettorie delle particelle, viene calcolata una soluzione preliminare al fine di contrassegnare le celle del dominio. I pesi ottenuti rappresentano le probabilità degli elementi di essere attraversati dalle particelle. Un altro aspetto fondamentale di un'implementazione parallela è la localizzazione iniziale delle particelle a causa delle forme arbitrarie di ogni sottodominio. Un innovativo algoritmo per la localizzazione delle particelle basato sul ray-tracing parallelo è stato sviluppato. Per ridurre significativamente la comunicazione complessiva tra i processi utilizza un id globale per ogni particella. Infine, il codice proposto è stato testato rispetto a dei casi di riferimento per la simulazione dell'accrescimento di ghiaccio su geometrie 2D e 3D. Sono stati simulati due diversi casi di nuvole formate da goccioline d'acqua: una sezione alare NACA 0012 e una coda orizzontale con profilo NACA 64A008. È stato simulato anche un test attorno a un cilindro 3D instazionario per valutare le prestazioni del codice.