Comprehensive comparison between the lattice Boltzmann and Navier–Stokes methods for aerodynamic and aeroacoustic applications - Cnam - Conservatoire national des arts et métiers Access content directly
Journal Articles Computers and Fluids Year : 2023

Comprehensive comparison between the lattice Boltzmann and Navier–Stokes methods for aerodynamic and aeroacoustic applications

Comparaison des méthodes lattice Boltzmann et Navier-Stokes pour les applications aérodynamiques et aéroacoustiques

Abstract

In an effort to determine which Computational Fluid Dynamics method offers the best trade-off between accuracy and computational cost for aerodynamic and aeroacoustic applications, the lattice Boltzmann and finite-volume Navier–Stokes methods are compared. Unlike previous studies, the present framework enables a fair and unbiased comparison of the core capabilities of each numerical approach and focuses on schemes of practical relevance. With the aim of providing a comprehensive comparison of the methods, an extended von Neumann analysis is performed and the High–Performance Computing capacities of both methods are thoroughly discussed. In addition, it is also shown through computations on canonical test cases that a “time to solution” metric has to be considered in order to objectively assess the suitability of one particular numerical method over the other. Three main conclusions are drawn: (1) both the lattice Boltzmann and Navier–Stokes schemes exhibit an anisotropic dissipative behaviour, (2) a cell update using the lattice Boltzmann method is 2 to 3 times faster than with the Navier–Stokes method dedicated to cartesian grids, and (3) the use of the “time to solution” metric demonstrates that the relevance of one method over the other is closely linked to the underlying physics and the intended error target. In light of these results, decision aids are provided to assist in selecting the most efficient method for a given application.
Afin de déterminer quelle méthode de simulation numérique offre le meilleur compromis entre précision et coût de calcul, un solveur lattice Boltzmann et un solveur Navier-Stokes volumes-finis représentatifs des codes industriels sont comparés sur des cas tests aérodynamiques et aéroacoustiques. La présente étude se concentre sur les capacités intrinsèques des méthodes à l'aide d'une analyse de von Neumann et examine en détail leurs performances CPU. Les résultats sont ensuite évalués sur des simulations numériques canoniques. Il est démontré qu'une métrique de "temps de résolution" doit être considérée afin de comparer objectivement les deux approches. Après une optimisation des solveurs dans la limites des capacités du CPU, il est observé que la méthode lattice Boltzmann peut mettre à jour 2 à 3 fois plus de cellules que le solveur Navier-Stokes volumes-finis cartésien . Les cas tests démontrent également que la pertinence d'une méthode par rapport à une autre dépend fortement de la physique sous-jacente et de la cible d'erreur visée.
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hal-04091897 , version 1 (21-06-2023)

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Alexandre Suss, Ivan Mary, Thomas Le Garrec, Simon Marié. Comprehensive comparison between the lattice Boltzmann and Navier–Stokes methods for aerodynamic and aeroacoustic applications. Computers and Fluids, 2023, 257, pp.1-22. ⟨10.1016/j.compfluid.2023.105881⟩. ⟨hal-04091897⟩
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