KONWIHR Projekt: CompSteer

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CompSteer: Computational Steering komplexer Strömungssimulationen

Projektzusammenfassung

Wissenschaftliches Rechnen in Forschung und Ingenieurwesen erlebt eine stetige Steigerung der Rechengeschwindigkeiten und der Verfügbarkeit sehr schneller Netzwerke. Dennoch scheinen einige Möglichkeiten, die diese Entwicklung bietet, nicht oder nur zu einem kleinen Teil für numerische Simulationen genutzt zu werden. Außerdem verfolgt der Großteil der verfügbaren Software im Ingenieurbereich trotz neuer Möglichkeiten der rechnergestützten Visualisierung, virtueller oder augmented Reality und neu entwickelter Kollaborationsmodelle immernoch den Weg der klassischen Trennung von Preprocessing, eigentlicher Simulation und Postprocessing. In früheren Arbeiten der Antragsteller wurden einige der wichtigsten Hindernisse für interaktive Rechnungen komplexer Simulationsszenarien im Ingenieurwesen identifiziert und teilweise beseitigt. Diese lagen insbesondere in traditionellen Softwarestrukturen, der Definition geometrischer Modelle sowie der Randbedingungen und in der oft noch recht aufwändigen Arbeit der Erzeugung von Rechengittern. Es wurde ein generischer Ansatz zum kollaborativen Computational Steering entwickelt, in dem Pre- und Postprocessing integrativ mit Komponenten des Hochleistungsrechnens verknüpft werden und das die Kooperation mehrerer Arbeitsgruppen über das Internet unterstützt. Den Kern dieses Ansatzes bilden geeignete numerische Methoden wie die Lattice-Boltzmann Methode (LBM) zur Simulation von Fluidströmungen. Das beantragte Projekt wird diesen Ansatz in verschiedene Richtungen erweitern:

  • Der Antrag ist fokussiert auf interaktive fluiddynamische Simulationen mit Transport von Partikeln. Um die hohen Rechenanforderungen des zugrunde liegenden Strömungsproblems in den Griff zu bekommen, ist eine Parallelisierung unerlässlich. Daher werden existierende Codes (entwickelt für die alte HITACHI Vektorarchitektur) auf die Dual-Core-Architektur des HLRB-II portiert und entsprechend erweitert und optimiert. Außerdem werden sie für künftige Multi- und Manycore-Architekturen vorbereitet. Dies beinhaltet beispielsweise die Parallelisierung des Partikeltransports, eine Laufzeitoptimierung der LLM (unter Ausnutzung des Shared-Memory-Konzepts des HLRB-II) und Lastbalancierungsmethoden entsprechend der aufgrund des Steering veränderlichen Geometrie.
  • Die Vielseitigkeit des zugrunde liegenden Geometriemodells wird erweitert. Besonderes Augenmerk wird auf die Entwicklung von Techniken zur Gittererzeugung gelegt, die robust gegenüber Fehlern (kleiner Spalten oder Überschneidungen) im geometrischen Modell sind. Diese Fehler tauchen in der Praxis sehr häufig auf und stellen einen der Hauptgründe für zu lange Arbeitszyklen im Computational Engineering dar. Soweit diese Fehler nicht automatisch geheilt werden können, werden Methoden entwickelt, um sie leichter identifizieren und interaktiv entfernen zu können. Automatische und robuste Gittererzeugung ist eine wesentliche Voraussetzung für interaktives Computational Steering.
  • Die Simulation des Partikeltransports wird in das Computational Steering Modell eingebunden. Zu diesem Zweck wird das hier beantragte KONWIHR-II Projekt mit einem kürzlich gestarteten Projekt innerhalb der TUM International Graduate School of Science and Engineering (IGSSE) zum Thema 'Particle Dynamics in Turbulent Flows' zusammenarbeiten (siehe External link: www.igsse.de für weitere Informationen). In diesem Projekt sind die Hauptaspekte: Festlegung der einzelnen Terme der Gleichungen für den Partikeltransport, Modellierung von Mechanismen wie Partikel-Fluid-, Partikel-Partikel- und Partikel-Wand-Wechselwirkungen, Übergang von stochastischen Partikelmodellen zu einer deterministischen Beschreibung der Momente zweiter Ordnung sowie Mehrskalenansätze zur effizienteren numerischen Simulation. Basierend auf der Arbeit dieses IGSSE-Projektes wird das hier vorgestellte Projekt die Wechselwirkungsmodelle in den Lattice Boltzmann Strömungssimulator integrieren and numerische Methoden zur Transportsimulation im Hinblick auf die Anforderung einer Computational Steering Umgebung weiterentwickeln.

KONWIHR-Förderung

  • KONWIHR-Förderung von CompSteer: 9/2008 - 8/2011

Kontakt:

  • Prof. Dr. Ernst Rank, Lehrstuhl für Computation in Engineering, TU-München
  • Prof. Dr. Hans-Joachim Bungartz, Lehrstuhl für Informatik mit Schwerpunkt Wissenschaftliches Rechnen, Fakultät für Informatik, TU-München

Projektbearbeiter:

  • Atanas Atanasov, Lehrstuhl für Informatik mit Schwerpunkt Wissenschaftliches Rechnen, Fakultät für Informatik, TU-München
  • Dipl.-Ing. Jérôme Frisch, Lehrstuhl für Computation in Engineering, TU-München
  • Dr. Christoph van Treeck, Lehrstuhl für Computation in Engineering, TU-München
  • Dr. Miriam Mehl, Lehrstuhl für Informatik mit Schwerpunkt Wissenschaftliches Rechnen, Fakultät für Informatik, TU-München
  • Dr. Ralf-Peter Mundani, Lehrstuhl für Computation in Engineering, TU-München
  • Dr. Tobias Weinzierl, Lehrstuhl für Informatik mit Schwerpunkt Wissenschaftliches Rechnen, Fakultät für Informatik, TU-München

Ausgewählte Veröffentlichungen

  • A. Atanasov, T. Weinzierl: Query-driven multiscale data postprocessing in computational fluid dynamics, Procedia CS, (2011).
  • A. Atanasov, H.-J. Bungartz, J. Frisch, M. Mehl, R.-P. Mundani, E. Rank, C. van Treeck: Computational Steering of Complex Flow Simulations, High Performance Computing in Science and Engineering, Garching 2009. (Ed: S. Wagner, A. Bode and G. Wellein ), Springer (Berlin, Heidelberg), (2010).
  • H.-J. Bungartz, M. Mehl, T. Neckel, T. Weinzierl: The PDE framework Peano applied to fluid dynamics: an efficient implementation of a parallel multiscale fluid dynamics solver on octree-like adaptive Cartesian grids, Computational Mechanics, 46(1) (2010) 103-114.
  • C. van Treeck, M. Pfaffinger, P. Wenisch, J. Frisch, Z. Yue, M. Egger, E. Rank: Towards Computational Steering of Thermal Comfort Assessment, IndoorAir2008, August 17-22, Copenhagen, Denmark, (2008).
  • C. v. Treeck, P. Wenisch, A. Borrmann, M. Pfaffinger, O. Wenisch, E. Rank: ComfSim - Interaktive Simulation des thermischen Komforts in Innenräumen auf Höchstleistungsrechnern, Bauphysik, 29:(1) (2007) 2-6. External link: DOI: 10.1002/bapi.200710002
  • C. van Treeck, P. Wenisch , A. Borrmann, M. Pfaffinger, N. Cenic, E. Rank: tilizing high performance supercomputing facilities for interactive thermal comfort assessment, Proc. 10th Int. IBPSA Conference Building Simulation, September 3-6, Bejing, China, (2007).
  • P. Wenisch, C. v. Treeck, A. Borrmann, E. Rank, O.Wenisch: Computational steering on distributed systems: Indoor comfort simulations as a case study of interactive CFD on supercomputers, International Journal of Parallel, Emergent and Distributed Systems, 22:(4) (2007) 275-291. External link: DOI: 10.1016/j.apm.2005.11.022
  • A. Borrmann, P. Wenisch, C. van Treeck, E. Rank: Collaborative computational steering: Principles and application in HVAC layout, Integrated Computer-Aided Engineering (ICAE), 13:(4) (2006) 361-376.
  • C. van Treeck, E. Rank, M. Krafczyk, J. Tölke, B. Nachtwey: Extension of a hybrid thermal LBE scheme for Large-Eddy simulations of turbulent convective flows, Computers and Fluids, 35 (2006) 863-871.