افزایش سرعت شبیه سازی جریان مخلوط گازها در بستر ذرات فشرده به روش شبکه ی بولتزمن با استفاده از پردازشگرهای گرافیکی

روش شبکه بولتزمن از روش های زیر مجموعه دینامیک سیالات محاسباتی است. تحلیل هایی که با این روش انجام می گیرد برای کاربردهایی نظیر شبیه سازی جریان در محیط متخلخل در ابعاد بسیار ریز بسیار موفق بوده و نیز قادر به شبیه سازی جریان های پیچیده نظیر جریان مغشوش، جریان های با ترکیب چند سیال مخلوط شدنی یا مخلوط نشدنی ویا جریان های با سطح آزاد است. در این روش سیال به شکل بسته هایی مدل می شود که در یک شبکه ی گسسته و تحت گام های زمانی گسسته انتشار می یابند و با یکدیگر در نقاط شبکه برخورد می کنند. از آنجایی که برخوردها تنها به گره های محلی محدود می شود بنابراین محاسبات مربوط به برخوردها فقط به اطلاعات از گره های مجاور بستگی دارد. این ویژگیِ محلی بودن اطلاعات ورودی، روش شبکه بولتزمن را به یک کاندید منحصر به فرد جهت محاسبات موازی تبدیل می کند. اخیرا استفاده از روش پردازش گرافیکی برای محاسبات موازی در روش شبکه بولتزمن رواج زیادی یافته و کارهای انجام شده افزایش خیره کننده در سرعت محاسبات نسبت به استفاده از پردازشگرهای مرکزی پیشرفته را نشان می دهد. این میزان افزایش سرعت، مستقیما بستگی به مهارت برنامه نویس در موازی سازی محاسبات و بهره گیری از حداکثر توانایی سخت افزار دارد. یکی از حوزه های مورد توجه در کاربردهای روش شبکه ی بولتزمن، استفاده از آن برای شبیه سازی جریان مخلوط چند گاز در بستری ذرات فشرده است. بسترهای فشرده، که استوانه های محتوی دانه های جامد (عمدتا کروی) هستند، جایگاه مهمی در صنایع مختلف دارند. از این استوانه ها در عملیات کارماتوگرافی، در میله های سوختی، در فیلترها و نیز به عنوان جایگاهی برای مواد شیمیایی، کاتالیزورها و یا ذرات سوخت در سیستم های با پیشرانش جامد استفاده می شود. در تحقیقی که اخیرا توسط رستگاری و اشرفی زاده (2009) انجام گرفته است ، از روش شبکه ی بولتزمن جهت شبیه سازی جریان در بستر ذرات فشرده استفاده شده است. گرچه شبیه سازی های انجام شده در تحقیق یاد شده موید توانایی بالای روش شبکه بولتزمن برای این گونه مسایل است، اما هزینه ی محاسباتی نسبتا بالای روش همچنان مانع مهمی در توسعه ی شبیه سازی ها به ابعاد و بسترهای واقعی و افزایش دقت شرایط مرزی می باشد. در این تحقیق به منظور افزایش سرعت محاسبات، شبیه سازی جریان مخلوط دو گاز اکسیژن و نیتروژن در بستر ذرات فشرده پیاده سازی گردیده است. پیاده سازی های انجام شده روی انواع مختلف پردازشگرهای گرافیکی، از کارت های گرافیکی ارزان قیمت گرفته تا پردازشگرهای گرافیکی پیشرفته، افزایش چند ده تا چند صد برابری کارایی محاسباتی را نشان می دهد. با کاهش چشمگیر هزینه ی کلی محاسبات، اعمال دقیقتر شرایط مرزی و توسعه ی مساله به ابعاد صنعتی مقرون به صرفه گشته که نتایج آن در این تحقیق ارائه شده است.