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Osservare il flusso viscoso, ma più veloce

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Un metodo all’avanguardia per modellare il comportamento dei liquidi descritto dai ricercatori KAUST rappresenta una svolta nella velocità di calcolo per i liquidi viscosi. Credito: KAUST.

Riprogettando il modo in cui i fluidi vengono simulati, i ricercatori KAUST hanno dimostrato un aumento della velocità di oltre dieci volte rispetto al precedente stato dell’arte per liquidi viscosi a flusso lento.

La modellazione del comportamento dei liquidi è importante per un’ampia gamma di applicazioni, dai processi industriali e dispositivi medici alla computer grafica e alle simulazioni visive.

Tuttavia, nonostante molti anni di sviluppo e fisica nota risalenti a oltre 100 anni fa, la capacità di simulare accuratamente il flusso di liquidi rimane uno degli aspetti più impegnativi dal punto di vista computazionale della creazione di repliche digitali del mondo reale.

Questo perché il flusso e il comportamento dei liquidi sono determinati sia dalla distribuzione della pressione attraverso il liquido che, nel caso di liquidi viscosi densi, dalla resistenza interna a tale flusso dipendente dalla pressione. Il calcolo preciso di queste distribuzioni complesse e variabili nel tempo è molto impegnativo dal punto di vista computazionale e sono stati sviluppati così tanti schemi di ottimizzazione per accelerare questo processo di calcolo a scapito dell’accuratezza.

Ora, Han Shao, Libo Huang e Dominik Michels hanno fatto un importante passo avanti nella velocità di calcolo per i liquidi viscosi combinando una matematica efficiente con le capacità di calcolo parallelo di basso livello dei moderni processori per computer.

“La simulazione della fluidodinamica è stata per molti anni un argomento sempreverde nella ricerca sulla computer grafica e i metodi esistenti hanno ancora molto potenziale per il miglioramento delle prestazioni”, afferma Shao. “In questa ricerca, proponiamo il metodo Unsmoothed Aggregation Algebraic Multigrid come un sofisticato framework multigrid che utilizza pienamente le moderne funzionalità della CPU e introduce nuovi metodi numerici”.

Il team di ricerca è partito dall’idea che metodi matematici più efficienti potessero essere utilizzati per i calcoli fondamentali del vettore matrice necessari per calcolare la distribuzione della pressione attraverso il liquido, oltre a semplificare il calcolo di valori banali al confine del fluido.

In sostanza, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che quando molti valori nelle matrici sono gli stessi, come nel caso della maggior parte di un liquido viscoso, un singolo calcolo può essere utilizzato su molti elementi consentendo di saltare molti calcoli.

Il team ha quindi sfruttato la sinergia di combinare il loro efficiente codice di calcolo vettore-matrice con la capacità SIMD (Single Instruction Multiple Data) delle moderne CPU, che consente di applicare la stessa operazione a più input di dati contemporaneamente. Ciò ha consentito loro di costruire un approccio di modellazione in grado di simulare fluidi viscosi fino a 15 volte più velocemente dell’attuale stato dell’arte (il motore fisico Houdini).

“Il nostro framework può essere utilizzato immediatamente dagli utenti industriali per una simulazione più rapida, utilizzando il codice disponibile sul sito Web del nostro progetto”, afferma Shao.

La ricerca è stata pubblicata in Transazioni ACM sulla grafica.


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