• 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