Desarrollo y optimización del modelo hidráulico Iber+: Aplicación a eventos de riesgo

Abstract

The Computational Fluid Dynamics (CFD) is a fundamental tool for scientific research and engineering applications. Its main advantage is the capacity of simulate virtual scenarios without the necessity of build complex systems. The other remarkable advantage is the capacity of gather information of physical variables (velocity, pressure, vorticity...) that are difficult or impossible to measure in scale models. However, one of the handicaps of numerical modelling is the high computational cost needed to solve, in a reasonable time, the engineering problems in simulations with big domains and complex geometries.

Within the different models for the simulation of free surface flows, we can find those that are efficient solving big domains but without using a high resolution or detail and, on the other hand, those that solve interactions between the flow and the solids with a higher precision, but with a high computational cost. The two fundamental objectives of this work are: i) The development of a hybrid model that maximizes the strengths of the models to be coupled, and ii) optimize and accelerate the new computational model taking advantage of the parallelism of the current hardware architectures.

The models that will be employed are IBER and DUALSPHYSICS: IBER is a model for the simulation of free surface flows and river sediment transport. This model is based in a finite volume unstructured mesh and it is oriented to big scale simulations like river basins and estuaries.

DUALSPHYSICS is a numeric model that discretizes the fluid as a set of particles without a mesh. This is specially convenient for the study of highly nonlinear phenomena, where the water collides violently with structures.

In this work a hybrid implementation of both models, that will be able to run on both CPU and GPU, will be developed. The GPUs are graphic cards with a high computing power for parallel processing. They are an affordable option to accelerate codes with a low economical budget.

The new model will be applied on real engineering problems where flooding and runoff phenomena are studied. IBER will make the simulation of the whole domain and will provide the boundary conditions for DUALSPHYSICS that will simulate in detail the interaction of the fluid with structures and urban furniture.

La dinámica computacional de fluidos (CFD) es una herramienta fundamental tanto para la investigación científica como en trabajos de ingeniería. Su principal ventaja es la capacidad de simular escenarios virtuales sin la necesidad de construir complejos sistemas. La otra gran ventaja de CFD es la capacidad de obtener información de variables físicas (velocidad, presión, vorticidad…) que son difícil o imposibles de medir en modelos a escala. Sin embargo una de las limitaciones del modelado numérico es el alto coste computacional necesario para solventar, en un tiempo razonable, los problemas de ingeniería en donde se simulan grandes dominios y geometrías complejas.

Dentro de los diferentes modelos numéricos para simulación de flujos de superficie libre se pueden encontrar aquellos que son eficientes resolviendo grandes dominios, pero sin usar un alto grado de detalle o resolución, y por otro lado, aquellos que resuelven las interacciones entre el flujo y los sólidos con una mayor precisión, pero con un gran coste computacional. Los dos objetivos fundamentales de este trabajo son: i) el desarrollo de un modelo híbrido que maximice las fortalezas de los modelos que se van a acoplar, y ii) optimizar y acelerar el nuevo modelo computacional aprovechando el paralelismo de las arquitecturas actuales de hardware.

Los modelos que se van a utilizar son IBER y DUALSPHYSICS: IBER es un modelo para la simulación del flujo en lámina libre y procesos de transporte en ríos. Este modelo se basa en una malla no estructurada de volúmenes finitos y está orientado principalmente a simulaciones a gran escala como cuencas de ríos y estuarios. DUALSPHYSICS es un modelo numérico que discretiza el medio fluido como un conjunto de puntos sin necesidad de malla, lo que es especialmente adecuado para el estudio de fenómenos altamente no lineales, donde el agua colisiona violentamente con estructuras.

En este trabajo se realizará una implementación híbrida de ambos que se pueda ejecutar en las CPU y GPU. Las GPUs son tarjetas gráficas con gran poder paralelo de computación y son una opción asequible para acelerar códigos con un bajo coste económico.

El nuevo modelo se aplicará en problemas reales de ingeniería donde se estudian fenómenos de inundaciones y escorrentía. IBER realizará la simulación de todo el dominio y proporcionará las condiciones de contorno para que DUALSPHYSICS pueda simular con detalle la interacción del fluido con estructuras y con el mobiliario urbano.

A dinámica computacional de fluidos (CFD) é unha ferramenta fundamental tanto para a investigación científica coma en trabajos de enxeñaría. A súa principal vantaxe é a capacidade de simular escenarios virtuais sen a necesidade de construír complexos sistemas. A outra gran vantaxe do CFD é a capacidade de obter información de variables físicas (velocidade, presión, vorticidade…) que son difíciles ou imposibles de medir en modelos a escala. Sen embargo unha das limitacións do modelado numérico é o alto custo computacional preciso para solventar, nun tempo razoable, os problemas de enxeñaría onde se simulan grandes dominios e xeometrías complexas.

Dentro dos diferentes modelos numéricos para a simulación de fluxos de superficie libre pódense atopar aqueles que son eficientes resolvendo grandes dominios, pero sen usar un alto grado de detalle ou resolución, e por outro lado, aqueles que resolven as interaccións entre o fluxo e os sólidos cunha maior precisión, pero cun gran custo computacional. Os dous obxectivos fundamentais deste traballo son: i) O desenvolvemento dun modelo híbrido que maximice as fortalezas dos modelos que se van a acoplar, e ii) optimizar e acelerar o novo modelo computacional aproveitando o paralelismo das arquitecturas actuais de hardware.

Os modelos a empregar son IBER e DUALSPHYSICS: IBER é un modelo para a simulación do fluxo en lámina libre e procesos de transporte en ríos. Este modelo baséase nunha malla non estruturada de volumes finitos e está orientado principalmente a simulacións a gran escala como concas de ríos e estuarios. DUALSPHYSICS é un modelo numérico que discretiza o medio fluído coma un conxunto de puntos sen necesidade de malla, o que é especialmente axeitado para o estudo de fenómenos altamente non lineais, onde a auga colide violentamente con estruturas.

Neste traballo realizaráse unha implementación híbrida de ámbolos dous que se poda executar en CPUs e GPUs. As GPUs son tarxetas gráficas con gran poder de computación en paralelo e son unha opción accesible para acelerar códigos cun baixo custe económico.

O novo modelo aplicaráse en problemas reais de enxeñaría onde se estudan fenómenos de inundacións e escorrentía. IBER realizará a simulación de todo o dominio e proporcionará as condicións de contorno para que DUALSPHYSICS poda simular con detalle a interacción do fluído con estruturas e co mobiliario urbano.