O presente trabalho de pesquisa tem por objetivo estudar a paralelização de algoritmos voltados à solução de equações diferenciais parciais. Esses algoritmos são utilizados para gerar a solução numérica das equações de Navier-Stokes em um escoamento bidimensional incompressível de um fluido newtoniano. As derivadas espaciais são calculadas através de um método de diferenças finitas compactas com a utilização de aproximações de altas ordens de precisão. Uma vez que o cálculo de derivadas espaciais com alta ordem de precisão da forma compacta adotado no presente estudo requer a solução de sistemas lineares tridiagonais, é importante realizar estudos voltados a resolução desses sistemas, para se obter uma boa performance. Ressalta-se ainda que a solução de sistemas lineares também faz-se presente na solução numérica da equação de Poisson. Os resultados obtidos decorrentes da solução das equações diferenciais parciais são comparados com os resultados onde se conhece a solução analítica, de forma a verificar a precisão dos métodos implementados. Os resultados do código voltado à resolução das equações de Navier-Stokes paralelizado para simulação de escoamentos incompressíveis são comparados com resultados da teoria de estabilidade linear, para validação do código final. Verifica-se a performance e o speedup do código em questão, comparando-se o tempo total gasto em função do número de elementos de processamento utilizados / The objective of the present work is to study the parallelization of partial differential equations. The aim is to achieve an effective parallelization to generate numerical solution of Navier-Stokes equations in a two-dimensional incompressible and isothermal flow of a Newtonian fluid. The spatial derivatives are calculated using compact finite differences approximations of higher order accuracy. Since the calculation of spatial derivatives with high order adopted in the present work requires the solution of tridiagonal systems, it is important to conduct studies to solve these systems and achieve good performance. In addiction, linear systems solution is also present in the numerical solution of a Poisson equation. The results generated by the solution of partial differential equations are compared to analytical solution, in order to verify the accuracy of the implemented methods. The numerical parallel solution of a Navier-Stokes equations is compared with linear stability theory to validate the final code. The performance and the speedup of the code in question is also checked, comparing the execution time in function of the number of processing elements

O presente trabalho de pesquisa tem por objetivo estudar a paralelização de algoritmos voltados à solução de equações diferenciais parciais. Esses algoritmos são utilizados para gerar a solução numérica das equações de Navier-Stokes em um escoamento bidimensional incompressível de um fluido newtoniano. As derivadas espaciais são calculadas através de um método de diferenças finitas compactas com a utilização de aproximações de altas ordens de precisão. Uma vez que o cálculo de derivadas espaciais com alta ordem de precisão da forma compacta adotado no presente estudo requer a solução de sistemas lineares tridiagonais, é importante realizar estudos voltados a resolução desses sistemas, para se obter uma boa performance. Ressalta-se ainda que a solução de sistemas lineares também faz-se presente na solução numérica da equação de Poisson. Os resultados obtidos decorrentes da solução das equações diferenciais parciais são comparados com os resultados onde se conhece a solução analítica, de forma a verificar a precisão dos métodos implementados. Os resultados do código voltado à resolução das equações de Navier-Stokes paralelizado para simulação de escoamentos incompressíveis são comparados com resultados da teoria de estabilidade linear, para validação do código final. Verifica-se a performance e o speedup do código em questão, comparando-se o tempo total gasto em função do número de elementos de processamento utilizados / The objective of the present work is to study the parallelization of partial differential equations. The aim is to achieve an effective parallelization to generate numerical solution of Navier-Stokes equations in a two-dimensional incompressible and isothermal flow of a Newtonian fluid. The spatial derivatives are calculated using compact finite differences approximations of higher order accuracy. Since the calculation of spatial derivatives with high order adopted in the present work requires the solution of tridiagonal systems, it is important to conduct studies to solve these systems and achieve good performance. In addiction, linear systems solution is also present in the numerical solution of a Poisson equation. The results generated by the solution of partial differential equations are compared to analytical solution, in order to verify the accuracy of the implemented methods. The numerical parallel solution of a Navier-Stokes equations is compared with linear stability theory to validate the final code. The performance and the speedup of the code in question is also checked, comparing the execution time in function of the number of processing elements

Orientador: Eduardo Cardoso de Abreu / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática Estatística e Computação Científica / Made available in DSpace on 2018-08-26T22:28:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ferraz_PaolaCunha_M.pdf: 6535346 bytes, checksum: 5f9c9ba53cd3e63fc60c09c90ad2c625 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: O foco deste trabalho é aproximação numérica de problemas envolvendo equações diferenciais parciais (EDPs), de natureza elíptica, no contexto de aplicações em dinâmica de fluidos em meios porosos. Especificamente, a dissertação pretende contribuir com uma implementação de um algoritmo multiescala e multigrid, recentemente introduzido na literatura, para resolução aproximada de sistemas de equações lineares de grande porte e mal condicionados, proveniente dessa classe de EDPs, tipicamente associada a problemas de Poisson de pressão-velocidade com condições de contornos típicas de fluxo em meios porosos. O problema concreto de Poisson discutido neste trabalho será desacoplado do sistema de transporte de EDPs de convecção-difusão, com convecção dominante, e linearizado por meio do emprego de uma técnica de decomposição de operadores. A metodologia para a discretização do problema elíptico de Poisson é elementos finitos mistos híbridos. A resolução numérica do sistema linear resultante deste procedimento será realizado via um método do tipo Gradientes Conjugados com Pré-condicionamento (PCG) multiescala e multigrid. Combinamos as metodologias multi-escala e multigrid de modo a capturar os distintos comprimentos de onda associados aos diferentes comprimentos de onda do operador diferencial auto-adjunto de Poisson, fortemente influenciado pela heterogeneidade das propriedades geológicas do meio poroso, em particular da permeabilidade absoluta, que pode exibir flutuações em várias ordens de grandeza. Experimentos computacionais em aplicações de problemas de dinâmica de fluidos em meios porosos são apresentados e discutidos para verificação dos resultados obtidos / Abstract: The focus of this work is the numerical approximation of differential problems involving partial differential equations (PDE's) of elliptic nature, in the context of modelling and simulation in fluid dynamics in porous media. The dissertation aims to contribute with an implementation of a multiscale multigrid algorithm, recently introduced in the literature, designed for solving ill-conditioned large linear systems of equations derived from those classes of PDE's, typically associated with Poisson problems of pressure-velocity with boundary conditions typical of flow in porous media. The Poisson problem discussed here is identified from the coupled convection-diffusion transport system counterpart of PDE's, with dominated convection, and by a linearization by means the use of an operator splitting approach. The methodology used for the discretization of the Poisson elliptic problem is by mixed hybrid finite elements. The numerical solution of the resulting linear system will be addressed by a multiscale multigrid preconditioned conjugate gradient (PCG) method. We combine both methodologies in order to capture the distinct wavelengths associated with the different wavelengths from the assosiated self-adjoint Poisson operator, strongly influenced by the heterogeneity of the geological properties of the porous media, in particular to the absolute permeability tensor, which in turn might exhibit very large fluctuations of orders of magnitude. Numerical experiments in applications of fluid dynamics problems in porous media are presented and discussed for a verification of the results obtained by direct numerical simulations with the multiscale multigrid algorithm under consideration / Mestrado / Matematica Aplicada / Mestra em Matemática Aplicada