Computación de alto desempeño para la resolución de problemas con interfases móviles y cuerpos inmersos

Abstract

Esta tesis, titulada Computación de alto desempeño para la resolución de problemas con interfases móviles y cuerpos inmersos, aborda el desarrollo de métodos numéricos eficientes y precisos aplicados a la dinámica de fluidos con cuerpos rígidos inmersos, un tema relevante en la ingeniería y abordado mediante la mecánica computacional. El trabajo se centra en la interacción fluido-estructura, con especial atención en problemas que involucran interfases móviles, tales como el fenómeno de agitación o sloshing en tanques, así como el comportamiento de cuerpos rígidos que se desplazan en fluidos o son sometidos a movimientos oscilatorios. La motivación principal de esta tesis radica en la necesidad de resolver problemas de interacción fluido-estructura en escenarios donde los métodos analíticos resultan complejos o inadecuados. Para ello, se implementan técnicas numéricas avanzadas como volúmenes finitos y elementos finitos estabilizados, adecuadas para su ejecución en entornos de computación de alto rendimiento. También se utilizan métodos de penalización y formulaciones basadas en interfases embebidas para describir la dinámica de los cuerpos inmersos en el fluido, facilitando la simulación en mallas fijas. El trabajo incluye una componente experimental significativa, donde se validan los resultados numéricos mediante la comparación con datos experimentales obtenidos en tanques sometidos a movimientos oscilatorios forzados. Se realizan simulaciones numéricas de esferas sumergidas, que se complementan con análisis espectrales y técnicas de procesamiento de imágenes para el seguimiento de objetos. Además, se profundiza el cálculo de fuerzas hidrodinámicas, como el arrastre y la sustentación, y la evaluación del comportamiento de coeficientes tales como el de masa agregada. La estructura de esta tesis cubre desde la formulación numérica y el desarrollo de los métodos experimentales, hasta la validación y aplicación de los resultados en problemas prácticos.

This thesis, entitled High performance computing for solving problems with moving interfaces and immersed bodies, addresses the development of efficient and accurate numerical methods applied to fluid dynamics with immersed rigid bodies, a relevant topic in engineering and addressed through computational mechanics. The work focuses on fluid-structure interaction, with special attention to problems involving moving interfaces, such as the phenomenon of sloshing in tanks, as well as the behavior of rigid bodies moving in fluids or subjected to oscillatory motions. The main motivation of this thesis lies in the need to solve fluid-structure interaction problems in scenarios where analytical methods are complex or inadequate. For this purpose, advanced numerical techniques such as finite volumes and stabilized finite elements, suitable for execution in high performance computing environments, are implemented. Penalization methods and formula- tions based on embedded interfaces are also used to describe the dynamics of bodies immersed in the fluid, facilitating simulation on fixed meshes. The work includes a significant experimental component, where numerical results are validated by comparison with experimental data obtained in tanks subjected to forced oscillatory motions. Numerical simulations of submerged spheres are performed, which are complemented with spectral analysis and image processing techniques for object tracking. In addition, the calculation of hydrodynamic forces, such as drag and lift, and the evaluation of the behavior of coefficients such as the aggregate mass coefficient are further developed. The structure of this thesis covers from the numerical formulation and the development of the experimental methods, to the validation and application of the results in practical problems. The study provides a detailed analysis of the computational efficiency of the developed techniques, showing their scalability on parallel computing platforms.