Enhancing incompressible CFD simulations: a new coupled solver with minimal memory demand

The convergence issues of segregated CFD simulations represent a major limitation for industrial applications. The enormous increase in computer memory over the past decade enabled the exploration of coupled solvers, which have shown greater robustness and faster convergence than traditional approaches. However, no effort has yet been made to directly reduce their memory footprint. Furthermore, many existing approaches still show limited compatibility with linear solvers and incomplete treatment of mesh interfaces, such as NCC interfaces, which constrain their potential. This work proposes a novel coding strategy, based on a scalar-LDU implementation that replaces the conventional block-LDU. Developed in OpenFOAM for incompressible flows, it can be extended to compressible and hypersonic regimes. The code has been verified and validated against benchmark cases, achieving a 40% size reduction of the solving system, seamless integration with builtin and external solvers, and full support for mesh interfaces. These results are supported by a solid theoretical framework, bringing order to a field where the literature remains fragmented. Additional tests set the stage for future studies.

I problemi di convergenza delle simulazioni CFD segregate rappresentano una limitazione significativa per le applicazioni industriali. L’enorme aumento della memoria dei computer nell’ultimo decennio ha reso possibile l’esplorazione dei solver accoppiati, che hanno mostrato una maggiore robustezza e una convergenza più rapida rispetto agli approcci tradizionali. Tuttavia, non è ancora stato fatto alcun tentativo per ridurne direttamente l’impronta di memoria. Inoltre, molti approcci accoppiati esistenti mostrano ancora una compatibilità limitata con i solver lineari e un trattamento incompleto delle interfacce di mesh, come le interfacce NCC, limitandone così il potenziale. Questo lavoro propone una strategia innovativa basata su una formulazione scalar-matrix che sostituisce l’approccio convenzionale block-matrix. Sviluppato per flussi incomprimibili, il metodo può essere esteso a regimi comprimibili e ipersonici. Il codice è stato verificato e validato su casi di riferimento, ottenendo una riduzione del 40% dell’utilizzo di memoria, un’integrazione diretta con OpenFOAM e solver esterni con il pieno supporto delle interfacce di mesh. Questi risultati sono supportati da un solido quadro teorico, che porta ordine in un campo in cui la letteratura rimane frammentata. Test aggiuntivi pongono le basi per studi futuri.