Computational steering of CFD simulations on teraflop-supercomputers [Elektronische Ressource] / Petra Wenisch

Description

Lehrstuhlfur¨ BauinformatikFakultat¨ fur¨ Bauingenieur-undVermessungswesenTechnischeUniversitat¨ Munchen¨ComputationalSteeringofCFDSimulationsonTeraflop SupercomputersPetraWenischVollstandiger¨ AbdruckdervonderFakultat¨ fur¨ Bauingenieur-undVermessungswe senderTechnischenUniversitat¨ Munchen¨ zurErlangungdesakademischenGradeseinesDoktor IngenieursgenehmigtenDissertation.Vorsitzender: Univ. Prof. Dr. Ing. habil. MichaelManhartPrufer¨ derDissertation:1. Univ. Prof. Dr. rer. nat. ErnstRank2. Univ. Prof. Dr. rer. nat. UlrichR ude,¨Friedrich AlexanderUniversit at¨ Erlangen N urnber¨ gDie Dissertation wurde am 7. November 2007 bei der Technischen Universitat¨Munchen¨ eingereichtunddurchdieFakultat¨ fur¨ Bauingenieur-undVermessungswe senam7. Februar2008angenommen.fur¨ HeikeundHellaAbstractComputational methods have by now become established techniques of every dayworkflowincivilengineering,especiallyinthefieldofstructuralmechanics.Another field of application with increasing importance is computational fluiddynamics (CFD), where it is most prominently used for simulations in the con textofhydraulicsorforinvestigationswithrespecttofluid structureinteractionssuchaswindloadsonbridges,skyscrapers.Inbuildingconstructionpracticetheuseofsimulationsfortheanalysisofin doorair flowismuchlesscommon,becauseespeciallyduringtheplanningphaseofuniqueconstructionslikenon standardbuildings,thelimitedtimeavailabletothe engineer often does not allow detailed simulation series.

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• Publié par: technische_universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 27
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 33 Mo

Extrait

Bauinformatikur¨fLehrstuhlFakult¨atf¨urBauingenieur-undVermessungswesen
TechnischeUniversit¨atM¨unchen

ComputationalSteeringofCFDSimulationson
computerseraop-SuperT

enischWPetra

Vollst¨andigerAbdruckdervonderFakult¨atf¨urBauingenieur-undVermessungswe-
senderTechnischenUniversit¨atM¨unchenzurErlangungdesakademischenGrades
eines

Dissertation.genehmigten

-IngenieursDoktor

Vorsitzender:Univ.-Prof.Dr.-Ing.habil.MichaelManhart
Dissertation:derufer¨Pr1.Univ.-Prof.Dr.rer.nat.ErnstRank
2.Univ.-Prof.Dr.rer.nat.UlrichR¨ude,
Friedrich-AlexanderUniversit¨atErlangen-N¨urnberg

DieDissertationwurdeam7.November2007beiderTechnischenUniversit¨at
M¨uncheneingereichtunddurchdieFakult¨atf¨urBauingenieur-undVermessungswe-
senam7.Februar2008angenommen.

ur¨f

Heike

und

Hella

AbstractComputationalmethodshavebynowbecomeestablishedtechniquesofevery-
dayworkowincivilengineering,especiallyinthefieldofstructuralmechanics.
Anotherfieldofapplicationwithincreasingimportanceiscomputationaluid
dynamics(CFD),whereitismostprominentlyusedforsimulationsinthecon-
textofhydraulicsorforinvestigationswithrespecttouid-structureinteractions
suchaswindloadsonbridges,skyscrapers.
Inbuildingconstructionpracticetheuseofsimulationsfortheanalysisofin-
doorair-owismuchlesscommon,becauseespeciallyduringtheplanningphase
ofuniqueconstructionslikenon-standardbuildings,thelimitedtimeavailableto
theengineeroftendoesnotallowdetailedsimulationseries.Hence,theseobvi-
ouslythumbarehelpfulstillearlyusedinstead.simulationShouldstudiesitturncannotoutbeduringcarriedtheoutatbuildingallandphaserulesthatof
aredesignisinevitable,thecostsareconsiderablyhigherthanthoseforare-
designduringtheplanningphase.Takentogether,theneedforsimulationsand
thelackoftimeduringdesignphaseledtoadesireforanalternativetoolgiv-
ingtheengineerthepossibilityofperformingcasestudiesofthequalitativeow
behaviorthroughshort-cyclesimulationruns.Byprovidingmeansofmonitor-
ingandinteractivesteeringtherunningsimulation,theengineercanwatchthe
developingow,adjustparametersaccordingtohisneeds,andreceiveinstant
feedbacktohisinteractions.Thiskindofsteerablesimulationandon-the-yvi-
sualizationofsimulationresultsrepresentthedefiningfeaturesofcomputational
steering.Withthegeneralavailabilityofaffordablehigh-performancecomputing
systemsandperpetuallyincreasingCPUpower,computationalsteeringapplica-
tionshavebecomepossibleeveninsocomputation-andresource-intensivefields
ascomputationaluiddynamicsinthesedays.
Thisthesisfocusesonthedesignofacomputationalsteeringframeworkuti-
lizingsupercomputersforthenumericaluiddynamicssimulationsandhigh-
endVirtual-Realityvisualizationworkstationsforonlinemonitoringandsteer-
ingofthesimulation.ThecomputationalsteeringtooliFluids,whichhasbeen
developedbasedonthisframework,opensawholerangeofnewapplications
indifferentfields—notparticularlyrestrictedtocivilengineering.iFluidsrep-
resentsaninteractivetoolasameansofexploratoryshort-terminvestigationfor
checkingventilationdesignsintheirbasicfunctionalityandqualitativebehav-
ior—assuchmeetingatleastpartoftheengineersrequirementsduringthe
designphase.Inparticular,theengineercanexploreandwatchdevelopaow
configurationduringtherunningsimulationandcaninteractivelyadjustglobal
owparameters,defineormodifyboundaryconditionsandevenchangethege-
ometricalsetupwithouttheneedtore-preprocessandrerunaswithmostother
simulations.Theadaptationoftheowaswellastransienteffectsuntilasteady
stateisreachedcanbewatchedonasteeringandvisualizationterminalonthe
y.Inthisway,itispossibletoperformvirtualexperimentstoquicklygainan
intuitiveunderstandingofagivenventilationproblem.
iFluidsisbasedontheLattice-Boltzmannmethod,whichhasonlybeenap-
pliedforsometwentyyearsinuiddynamicsresearch.Itoffersseveralsignif-

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icantadvantagesoverotherclassicalmethodsoftacklinguiddynamicsprob-
lems.Thepresentthesisdescribesthespecializationsandoptimizationsofthe
implementationofthismethodwhichprovidethekeytoenablingtheuserto
easilychangeboundaryconditions,owparameters,andthegeometriclayoutof
thesimulatedsceneduringtheon-goingcomputation.
However,thesimulationsoftenneedtoberunwithacoarserdiscretization
oncurrentmid-levelhardwaresuchasworkgroupclustersand,accordingly,are
notalwaysabletoresolvealldetailsoftheuidbehavior.Additionally,thecom-
putationalmodelmuststillbekeptsimplewithrespecttoboundaryconditions
orturbulencemodels.Nevertheless,itenablessmallcase-studysimulationsfor
feasibilityanalysesandfortestingthebehaviorinquestion.Therequirements
arisingwhendevelopingafull-growncomputationalsteeringapplicationand
howthesecanbeaddressedrepresentanimportantaspect,whichisspecifically
concentratedoninthetext.Inparticular,detailsaregivenonhowcomputational
steeringhigh-endsoftwarvisualizationecanbefacilities.developedAlso,onthetodayscurrentlyhigh-performanceachievablecomputersperformanceandis
benchmarkedandlimitationswithregardtothecurrenthardwaretechnology
out.pointedearTodemonstratetheapplicabilityofthecomputationalsteeringframeworkto
thestudyofindoorventilationsystems,iFluidsisusedforanalyzingareal-case
operatingroomasanexample.Resultsoftheinteractivesimulationtoolarecom-
parmadeedthrwithoughmoreusingdetailedthistool.simulationsFinally,thetoshowapplicabiwhatlityofkindtheofcomputationalstatementscansteerbe-
ingframeworkinotherfieldswillbetouched.

ZusammenfassungRechnergest¨utzteSimulationenhabensichmittlerweileimBauwesenundins-
besondereimBereichderStrukturmechanikalsfesteHilfsmittelimArbeitsalltag
etabliert.EinweiteresAnwendungsgebiet,indemdieBedeutungnumerischer
SimulationenimBauwesenzunimmt,istdieFluiddynamik.HierliegtderSchwer-
punktjedochmehraufFragestellungenderHydraulikundGew¨asserkundeoder
Fluid-Struktur-Interaktionen,wiesiebeiumstr¨omtenexponiertenBauwerkenwie
WolkenkratzernoderBr¨uckenauftreten.
InderPraxisdeskonstruktivenIngenieurwesensistdieSimulationvonIn-
nenraumstr¨omungennocheherun¨ublich,dadierelativkurzeEntwurfsphase
vongr¨oßerenBauwerkenmeistensnichtdenzeitlichenSpielraumf¨urdetaillierte
Simulationsreihengew¨ahrt.DaherwerdensolcheBerechnungennursehrsel-
tendurchgef¨uhrtundmeistlediglichErfahrungswertef¨urdiePlanungherange-
zogen.Stelltsichw¨ahrendderBauausf¨uhrungjedochheraus,dasseine¨Uber-
arbeitungdesKonzeptesunumg¨anglichist,fallendiedamitverbundenenKosten
deutlichh¨oheraus,alsesw¨ahrendderEntwurfsphasederFallgewesenw¨are.
DertrotzdesengenzeitlichenRahmensgrunds¨atzlichbestehendeBedarfan
SimulationenerzeugtaufIngenieursseitedenWunschnacheinemanderenals
denbislangzug¨anglichenSimulationswerkzeugen:EinderartigesWerkzeugmuss

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einemIngenieurdieM¨oglichkeitbieten,eineReihevonFallstudieninnerhalb
kurzerZeitdurchzuf¨uhren,umeinqualitativesStr¨omungsverhaltenbestimmen
zuk¨onnen.DurchdiegleichzeitigeVisualisierungaktuellerStr¨omungsdatenund
interaktiverSteuerungw¨ahrendderSimulationsollderAnwenderdiezeitliche
EntwicklungeinerStr¨omungbeobachtenunddurchdieAnpassungvonPara-
meternindielaufendeSimulationeingreifenk¨onnen.DieAuswirkungenseiner
Ver¨anderungenm¨ussenanschließendinderzurBerechnungparallellaufenden
Visualisierungunmittelbarsichtbarwerden.DieseVerschmelzungvonsteuer-
barerSimulationundgleichzeitigerVisualisierungnenntmanComputationalSteer-
ing.Aufgrundderheuteverf¨ugbarenundnachwievorrasantwachsendenRe-
chenleistungbeiHoch-undH¨ochstleistungsrechnernistesmittlerweilem¨oglich
geworden,ComputationalSteeringsogarinsorechenintensivenGebietenwieder
verwirklichen.zuFluiddynamikDievorliegendeArbeitbeschreibtdenallgemeinenAufbaueinerComputa-
tionalSteering-Applikationundzeigt,wiesicheinederartigeAnwendungdurch
dieVerwendungvonH¨ochstleistungsrechnernf¨urdienumerischeFluidsimula-
tionundVirtual-RealityVisualisierungsanlagenzurDarstellungderErgebnisse
sowiezurSteuerungderBerechnungrealisierenl¨asst.AnhandderBeispielan-
wendungiFluidswirdeininteraktivesWerkzeugzurUntersuchungvonInnen-
raumluftstr¨omungerl¨autert,dasinkurzerZeiterlaubt,qualitativeAussagen¨uber
einBel¨uftungssystemzutreffenundseinegrunds¨atzlicheFunktionzupr¨ufen.
SomitkanniFluidsdemIngenieuralsHilfsmittelw¨ahrendderPlanungs-und
Entwurfsphasedienen,dasdenwesentlichenTeilderobengenanntenAnspr¨uche
abdeckt.Sokannmanw¨ahrendderlaufendenBerechnungdieStr¨omungsent-
wicklungbeobachtenundinteraktivglobaleStr¨omungsparameter,Randbedin-
gungenodersogardengeometrischenAufbauderProblemstellungver¨andern.
ImGegensatzzudenmeistenheuteverf¨ugbarenSimulationswerkzeugenistnach
derartigenInteraktionenkeinNeustartderBerechungmehrerforderlich.DieAn-
passungderStr¨omungebensowietransienteEffektebiszueinemm¨oglichen
Gleichgewichtszustandk¨onnenanderSteuerungs-undVisualisierungsanlage
unmittelbarbetrachtetwerden.AufdieseWeisek¨onnenvirtuelleExperimente
mitgeringemZeitaufwanddurchgef¨uhrtwerdenunddadurcheinintuitiverEin-
druckdesStr¨omungsverhaltensbeieinergegebenenBel¨uftungsfragestellungge-
den.werwonneniFluidsberechnetdieStr¨omungssimulationmittelsderLattice-BoltzmannMe-
thode,dieeinnochrelativjungesVerfahrenaufdiesemGebietdarstellt.Ihr
EinsatzbietetimVergleichzuanderennu