Advancements in GPU accelerated FVM-DEM simulation of laser based manufacturing in OpenFOAM

Abstract

Die Arbeit untersucht die Optimierung von Simulationen zur Laser-Materialbearbeitung in der wissenschaftlichen Forschung und kommerziellen Anwendungen. Der Lösungsansatz basiert auf dem OpenFOAM®-Simulationssoftwarepaket für die numerische Strömungsmechanik und erarbeitet die Integration der Modellierung der Laserausbreitung in das bestehende Framework durch die Nutzung hochgradig parallelisierter Berechnungen auf einer Grafikkarte. Ein Übergang von traditionellen feldbasierten Ansätzen zur Partikelverfolgung wird in Betracht gezogen, um komplexe Laser-Material-Interaktionen zu berücksichtigen und eine erhöhte physikalische Genauigkeit zu erreichen. Allerdings machen die rechnerischen Anforderungen bei der Simulation großer Partikelzahlen eine CPU-basierte Berechnung unmöglich. Die vorgeschlagene Methode beinhaltet die Anpassung der vorhandenen Struktur des Lösungsansatzes, um die Grafikkarten-beschleunigte Partikelverfolgung sowie die parallele Berechnung auf der CPU zu ermöglichen. Besondere Herausforderungen sind dabei, Daten zwischen Prozessoren zu synchronisieren, insbesondere wegen der verteilten Gitter und Partikel. Dies erfordert effiziente Datenübertragungsstrategien, wie beispielsweise das Message Passing Interface-Protokoll. Zusätzlich erfordert die komplexe Natur der Gitter-Repräsentation über mehrere Prozessoren unterschiedliche Algorithmen, um neuartige Probleme zu lösen. Die Arbeit erläutert die grundlegenden Prinzipien des Partikelverfolgungsansatzes, einschließlich der Diskreten-Elemente-Methode und des Verfolgungsalgorithmus. Darüber hinaus werden verschiedene Verbesserungen diskutiert, mit dem Ziel, die Effizienz und Genauigkeit der Simulation zu verbessern, einschließlich Parallelisierungsstrategien, dynamischer Gitter und symmetrischer Randbedingungen. Darüber hinaus beschreibt die Thesis die Implementierungen der physikalischen Vorgänge, um den Einfluss der Laserpolarisation auf die Ergebnisse der Laser-Materialbearbeitung zu berechnen und so zu einem umfassenden Verständnis des Prozesses beizutragen. Benchmarks und Simulationsergebnisse zeigen die Wirksamkeit der Grafikkarten-beschleunigten Partikelverfolgung und verdeutlichen ihr Potenzial, Simulationen zur Laser-Materialbearbeitung zu revolutionieren.

The thesis investigates the optimization of laser material processing simulations in scientific research and commercial applications. Initially leveraging the OpenFOAM® computational fluid dynamics solver, the research explores the integration of laser propagation modeling into the existing framework by making use of highly parallelized computations on a GPU. A transition from traditional field-based approaches to particle tracking is considered to account for complex laser-material interactions, offering increased physical accuracy. However, the computational demands of simulating large numbers of particles render CPU-based computation impractical. The proposed method involves adapting the existing solver structure to accommodate GPU-accelerated particle tracking, along with CPU parallelization. Challenges emerge from the necessity to synchronize data between processors, namely their distributed meshes and particles, requiring efficient data transfer strategies, such as the Message Passing Interface protocol. Additionally, the intricate nature of the mesh representation over multiple processors requires different algorithms to solve novel problems. The thesis outlines the fundamental principles of the particle tracking approach, detailing the particle engine, and tracking algorithm. Additionally, it discusses various improvements aimed at enhancing simulation efficiency and accuracy, including parallelization strategies, dynamic mesh handling, symmetric boundaries, and boundary checks. Furthermore, the thesis describes the implementations of the physics necessary to calculate the impact of laser polarization on laser material processing outcomes, contributing to a comprehensive understanding of the process. Benchmarks and simulation results demonstrate the effectiveness of the GPU-accelerated particle tracking method, showcasing its potential to revolutionize laser material processing simulations.