Distribuição de dados para implementações paralelas do Método de Lattice Boltzmann

Abstract

A Dinâmica de Fluidos Computacional é uma importante área de pesquisa no contexto da Computação Científica. Através da modelagem e simulação das propriedades de líquidos e gases é possível obter resultados numéricos para diferentes estruturas e fenômenos físicos cotidianos e de grande importância econômica. A evolução dos sistemas computacionais possibilitou a essa área o surgimento de novas técnicas e abordagens de simulação. Uma das técnicas computacionais atualmente empregadas é o Método de Lattice Boltzmann, um método numérico iterativo para a modelagem e simulação mesoscópica da dinâmica de fluxos de fluidos. Diferentes tipos de sistemas físicos podem ser tratados através dessa técnica, como é o caso de fluxos em meios porosos ou de substâncias imiscíveis. No entanto, por causa da dimensão dos sistemas físicos, é necessário adotar estratégias que permitam a obtenção de resultados precisos ou em tempos computacionais aceitáveis. Assim, paralelizar as operações é a solução mais indicada para aumentar o desempenho do método. Uma maneira eficiente de paralelizar um método numérico é fazer uso de técnicas de distribuição de dados refinadas, como é o caso do particionamento em blocos. Tais abordagens de paralelização foram adotadas neste trabalho em implementações bi- e tridimensionais do Método de Lattice Boltzmann, com o intuito de avaliar o ganho de desempenho oferecido através dessa técnica. Além disso, foram definidos os fatores que influenciam as melhores configurações de particionamento. Os resultados obtidos demonstraram que o particionamento em blocos prove um aumento considerável do desempenho das aplicações paralelas, especialmente para a versão tridimensional do método. Para algumas configurações dos estudos de caso os tempos de execução diminuíram em até 30% em relação aos tempos obtidos com o particionamento unidimensional. Já as melhores configurações para a distribuição dos dados em blocos foram aquelas em que a disposição dos dados manteve-se mais quadrada ou cúbica em relação a cada uma das dimensões coordenadas.

Computational Fluid Dynamics is an important research area in the Scientific Computing context. Through the modeling and simulation of liquids and gases properties it is possible to get numerical results for different physical structures and daily phenomena that have great economic importance. The evolution of the computational systems made it possible to develop new techniques and approaches of simulation in this area. One of these techniques currently used is the Lattice Boltzmann Method. This method is an iterative numerical strategy for modeling and simulating mesoscopic dynamics of fluid flows. Different types of physical systems can be simulated through this technique, like immiscible substances and flows in porous media. However, since the dimension of the physical systems is usually large, it is necessary to adopt strategies that allow to get accurate results or results in an acceptable computational time. Thus, the parallelization of the operations is the best alternative to increase the performance of the method. An efficient way to parallelize a numerical method is to make use of refined data distribution techniques, like data partitioning in blocks. Such parallelization approach had been adopted in this work for bi- and three-dimensional implementations of the Lattice Boltzmann Method. The objective of the work was to evaluate the performance enhancement offered through the parallelization. Moreover, another objective is to define the elements that influence the best partitioning configurations. The results shown that data partitioning in blocks provide a considerable performance increase for parallel implementations, especially for the three-dimensional version of the method. For some configurations adopted in the case studies, the execution time was reduced of up to 30% in relation to the one-dimensional partitioning strategy. The best configurations for data distribution in blocks were that where the data disposal are more square or cubical shaped in relation to each one of the coordinate dimensions