Implementación de un algoritmo de grilla móvil para la simulación de reacciones autocatalíticas

Abstract

En este trabajo se presenta el diseño e implementación de una grilla (ventana multidimensional) móvil para aproximar numéricamente la solución de la ecuación de Fisher-Kolmogorov (FK), aplicada al modelamiento de frentes de reacciones autocatalíticas de reacción-difusión-advección. Nos apoyaremos en la perspectiva de la físico-química, el análisis numérico y su implementación en computador. Explicaremos concretamente en qué consisten las reacciones autocatalíticas y la importancia del estudio de los frentes de onda en dichas reacciones. Precisamos los fenómenos de reacción-difusión, mencionando los principales valores conocidos de velocidad de los frentes de onda, cuando no existe flujo externo. Mencionamos la dinámica de los sistemas de reacción-difusión-advección, con velocidades externas pequeñas (número de Peclet pequeño ( )), haciendo énfasis en el fenómeno de la dispersión hidrodinámica de Taylor y algunas aproximaciones asociadas. En cuanto al análisis numérico, utilizamos el método de diferencias finitas para aproximar las ecuaciones diferenciales mencionadas anteriormente, convirtiéndolas en relaciones algebraicas, utilizando el método Forward-Time Centered-Space (FTCS), mencionando los criterios de convergencia y estabilidad necesarios. Con ello, formulamos y sustentamos un algoritmo de grilla móvil, implementándolo en Fortran. Con el algoritmo implementado en Fortran, simulamos los frentes de onda, sin advección y con advección, comparando los valores teóricos de velocidades de frentes de onda, con los valores simulados. Al obtener una similitud razonable entre los valores de velocidad de los frentes de onda, para reacciones de orden dos (cuadráticas) y tres (cúbicas), procedimos a realizar predicciones sobre las velocidades de los frentes para reacciones de orden superior, cuatro y cinco. Durante las simulaciones por computadora, hemos conseguido mejorar el procesamiento de datos utilizando procesamiento paralelo y operaciones de bloques de memoria, adaptando nuestras estructuras de datos a la jerarquía de memoria cache del CPU utilizado. El algoritmo de grilla móvil implementado, con su estrategia de procesamiento y adaptación de estructuras de datos, puede ser adaptado fácilmente para estudiar otros fenómenos que admiten un esquema explícito para ser simulados.