Desarrollo de un modelo avanzado de cálculo acoplado para el análisis del comportamiento en la mar de aerogeneradores flotantes

Abstract

This thesis covers the implementation of a new tool to solve fluid problems capable of solving free-surface and fluid-solid interfaces. This tool is based on a Semi-Lagrangian Particle Finite Element Method (SL-PFEM) approach of solve the Navier-Stokes equations. In a similar fashion to the Particle Finite Element Method (PFEM) and its second generation version (PFEM-2), Lagrangian particles are used to solve the convection problem while a background mesh is used to solve the elliptic part of the Navier-Stokes equations. One of the objectives is that the tool must be efficient when calculating problems. This is managed by first developing the numerical scheme so that it is second order accurate in time and space and then optimising the implementation so that it can perform well in HPC environments.

To solve the general interface problems such as fluid-fluid, fluid-solid or the two combined, then an enrichment method is applied to the scheme. This, joined with an SL-PFEM variation of the Level-Set Method allows to accurately capture and compute these types of problems. This implementation leads to the ability to solve multi-body problems that can interact with multiple fluids.

Esta tesis trata sobre la implementación de una nueva herramienta para resolver problemas fluidodinámicos tratando, en particular, los problemas de interfaces fluido-fluido y sólido-fluido. Esta herramienta está basada en el "Semi-Lagrangian Particle Finite Element Method" (SL-PFEM) para resolver las ecuaciones de Navier-Stokes. De manera similar al "Particle Finite Element Method" (PFEM) y su segunda versión (PFEM-2), partículas Lagrangianas son usadas para resolver el problema de convección mientras que una malla fija se usa para resolver la parte elíptica de las ecuaciones de Navier-Stokes. Uno de los objetivos es que la herramienta debe ser capaz de resolver los problemas de manera eficiente. Para ello, primero se desarrolla el esquema numérico para que sea un esquema de segundo orden tanto en espacio y tiempo y, luego, se optimiza la implementación para obtener un buen rendimiento en entornos de supercomputación. Para resolver problemas de interfaces como los de fluido-fluido, solido-fluido o la combinación de ambas, un método de enriquecimiento es aplicado al esquema numérico. Esto, junto con una variación del método "Level-Set" aplicado al SL-PFEM permite capturar y calcular de forma precisa estos tipos de problemas. Además, esta implementación lleva a la capacidad de resolver problemas con más de un cuerpo que puedan interactuar con varios fluidos.