Desarrollo de herramientas altamente escalables para la resolución eficiente de problemas de dispersión electromagnética y acústica

Zusammenfassung

El objetivo de esta Tesis consiste en el desarrollo de un conjunto de herramientas software que permitan la resolución eficiente y precisa de diferentes problemas dentro del ámbito de la dispersión acústica y electromagnética. En los últimos años, la reducción del ruido está cobrando una considerable atención por parte de las autoridades competentes, debido al rechazo que genera la contaminación acústica en la población. Como consecuencia de lo anterior, el control de ruido en las aeronaves (especialmente durante despegues y aterrizajes) se ha convertido en un tema de especial interés, ya que los requisitos relativos al ruido ambiental son cada vez más restrictivos. No obstante, para explorar las posibilidades que se presentan en la fase de diseño de una aeronave, deben aplicarse técnicas de predicción acústica que permitan caracterizar el comportamiento de los modelos desde el punto de vista de la presión sonora dispersada. El análisis preciso de dicho problema puede requerir una gran cantidad de recursos computacionales, por lo que se debe recurrir a herramientas en las que se combine el uso de esquemas aceleradores junto con técnicas propias de la computación de altas prestaciones si se pretende incrementar el rango de aplicación de las técnicas de modelado y predicción. Para el problema de dispersión acústica, se ha desarrollado un conjunto de herramientas paralelas y heterogéneas basadas en el algoritmo FMM (Fast Multipole Method) y en el algoritmo FMM-FFT (Fast Multipole Method-Fast Fourier Transform) que posibilitan el análisis de objetos de gran tamaño acústico, permiten reducir los tiempos de resolución de los problemas analizados y superan, de manera considerable, la eficiencia energética de las herramientas con las que se ha comparado. Por su parte, el problema electromagnético inverso resulta de gran interés en múltiples aplicaciones, entre las que se incluyen la caracterización de antenas y la imagen electromagnética. En ambos casos, el coste computacional asociado a la resolución de dichos problemas puede suponer un cuello de botella, especialmente con problemas eléctricamente grandes, ya que el tiempo de cálculo necesario para obtener una solución puede no satisfacer los requisitos de tiempo real o cuasi-real de algunas aplicaciones como, por ejemplo, las relacionadas con la seguridad. Para el problema electromagnético inverso, se ha desarrollado una herramienta con aplicación en el ámbito de la caracterización de antenas y otra herramienta con aplicación en problemas de imaging para la reconstrucción de perfiles, ambas basadas en el método SRM (Sources Reconstruction Method). Mediante la paralelización y aceleración hardware llevadas a cabo en esta Tesis, ambas herramientas posibilitan los análisis en tiempo real o cuasi-real para problemas de tamaño moderado. The objective of this Thesis is the development of a software tool set that allows accurate and efficient resolution of problems within the scope of acoustic and electromagnetic scattering. In recent years, noise reduction is getting considerable attention from the competent authorities, given that people do not tolerate noise-related pollution. As a result, noise control in aircraft (especially during take-offs and landings) has become a major topic, since environmental noise requirements become increasingly restrictive. Consequently, acoustic prediction techniques are applied to characterize the acoustic field scattered by different models, in order to explore the possibilities presented in the design process of a new aircraft. Nevertheless, the accurate analysis of the acoustic scattering problem may require a large amount of computational resources. Therefore, it is necessary to make use of tools that can exploit high performance computing, in addition to some accelerator schemes, in order to increase the applicability of modeling and prediction techniques. Regarding the acoustic scattering problem, in this Thesis, a set of parallel and heterogeneous tools based on the FMM (Fast Multipole Method) and on the FMM-FFT (Fast Multipole Method-Fast Fourier Transform) that enables the analysis of large acoustic-size problems. In addition, these tools also reduce the time to solution of the problems under analysis and offer a better energy efficiency than the reference tools. The inverse electromagnetic problem can also be of great interest in many applications, for instance, antenna characterization and electromagnetic imaging. However, the computational cost for solving the before-mentioned problems can be a bottleneck, especially with electrically large problems, since the calculation time that is needed to obtain a solution may not satisfy the real-time or quasi-real-time requirements of some applications, such as those related to security screening. In regard to the inverse electromagnetic problem, in this Thesis, two different tools have been developed. One of them to characterize antennas and another for imaging applications, such as profile reconstruction. Both of these tools are based upon the SRM (Sources Reconstruction Method). The parallelization and hardware acceleration, that the developed tools include, provides real-time or quasi-real-time analysis for moderate size problems.