شماره ركورد
34501
پديد آورنده
محمدرضا عهدي
عنوان
شبيهسازي جريان چندفازي غيرنيوتني با روش بولتزمن شبكهاي مبتني بر ميدان فازي و برهمكنش سيال–سازه در زبان پايتون: شتابيافته با پردازش موازي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك - تبديل انرژي
سال تحصيل
1404
تاريخ دفاع
1404/07/29
استاد راهنما
دكتر حسينعلي پور
استاد مشاور
-
دانشكده
مكانيك
چكيده
در اين پژوهش يك چارچوب محاسباتي يكپارچه براي شبيهسازي جريانهاي چندفازي غيرنيوتني مبتني بر روش بولتزمن شبكهاي (LBM) و ميدان فازي (معادله كان-هيليارد) توسعه داده شده و با روش مرز غوطهور براي مدلسازي برهمكنش سيال–سازه كوپل شده است. مدل سيال غيرنيوتني بر پايه قاعده توانـي پيادهسازي و با بهروزرساني خودسازگار زمان آرامش در چارچوب MRT–LBM در رئولوژيهاي برشي رقيقشونده اعمال شده است. بهمنظور افزايش كارايي، پيادهسازي كد پايتون با پردازش موازي روي GPUانجام و ساختار آن بهصورت ماژولار طراحي شده است.
اعتبارسنجي مدل در سه محور انجام شده است: تستهاي پايه مربوط به جريان چندفازي، مقايسه پروفيل سرعت جريان پوازي دولايه غيرنيوتني با روابط تحليلي كه خطاي بيشينه آن حدود 68/9% بهدست آمده است، مسائل FSI شامل تغييرشكل مرز الاستيك غوطهور در جريان پوازي و مقايسه كيفي با نتايج مرجع كه تطابق رضايتبخشي نشان داد. در تمام آزمونها، از نسخه MRT بهرهگيري شده است، چرا كه نسبت به SRT دقت و پايداري بالاتري دارد. از منظر كارايي، پيادهسازي GPU مبتني بر PyTorch نسبت به نسخههاي مرسوم CPU شتابي تا حدود 32/7× (RTX 3070) و 30/16× (RTX 4070) فراهم كرد و بهكارگيري CUDA با مديريت دستي حافظه، شتابي اضافي بهاندازه 81/2× و 53/3× نسبت به PyTorch بههمراه داشت. اين بهبودها امكان شبيهسازي پايدار هندسههاي پيچيده را فراهم ساخت. در سناريوي FSIغيرنيوتني، توزيع ويسكوزيته موضعي و تغيير شكل مرز با الگوي جريان سازگار بود و افزايش سرعت بيشينه در سيال برشي رقيقشونده به افزايش تغييرشكل طولي مرز انجاميد.
دستاورد نهايي، بستري بازتوليدپذير، پايدار و شتابيافته براي شبيهسازي پديدههاي چندفازي غيرنيوتني كوپلشده با FSI در پايتون است كه ميتواند بهصورت مستقيم در مسائل زيستسيالات، ريزسامانههاي سيالي و كاربردهاي صنعتي همخانواده بهكار گرفته شود.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/11/19
عنوان به انگليسي
Simulation of multi-phase flow of non-Newtonian fluid via phase field-LBM and FSI in python; accelerated with parallel computing
تاريخ بهره برداري
10/21/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
محمدرضا عهدي
چكيده به لاتين
This study presents a unified computational framework for simulating non-Newtonian multiphase flows using the Lattice Boltzmann Method (LBM) and the Phase-Field (Cahn-Hilliard) approach, coupled with the Immersed Boundary Method (IBM) for Fluid-Structure Interaction (FSI). A Power-law model is implemented to capture shear-thinning rheology by self-consistently updating the relaxation time within a Multiple-Relaxation-Time (MRT) LBM scheme. To address computational costs, the code is developed in Python with a modular architecture and GPU acceleration. Validation was performed via three key benchmarks: fundamental multiphase flow tests, analytical comparison of two-layer non-Newtonian Poiseuille flow (maximum error ≈9.68%), and FSI scenarios involving elastic boundary deformation, which showed good agreement with reference data. All simulations employed the MRT operator to ensure higher stability and accuracy compared to SRT. Performance analysis demonstrated that the PyTorch-based GPU implementation provided speedups of 7.32× (RTX 3070) and 16.30× (RTX 4070) compared to CPU baselines. Moreover, integrating custom CUDA kernels with manual memory management offered additional acceleration of 2.81× and 3.53× over the PyTorch version, facilitating the stable simulation of complex geometries. Results from non-Newtonian FSI simulations indicated that local viscosity distribution and boundary deformation aligned with flow patterns, where increased velocity in the shear-thinning fluid led to greater longitudinal deformation. Ultimately, this work provides a reproducible, stable, and high-performance platform for modeling complex multiphase FSI problems in biofluids and microfluidics.
كليدواژه هاي فارسي
روش بولتزمن شبكهاي , ميدان فازي , سيالات غيرنيوتني , برهمكنش سيال-ساز , پردازش موازي روي GPU
كليدواژه هاي لاتين
Lattice Boltzmann method , Phase field , Non-Newtonian fluids , Fluid-structure interaction , Parallel processing on GPU
Author
Mohammadreza Ahdi
SuperVisor
Pr.Hoseinalipour