High performance scientific computing in applications with direct finite element simulation

xiii, 133 p.La predicción del flujo separado, incluida la pérdida de un avión completo mediantela dinámica de fluidos computacional (CFD) se considera uno de los grandes desaf¿¿os que seresolverán en 2030, según NASA. Las ecuaciones no lineales de Navier-Stokes proporcionan laformulación matemática para flujo de fluidos en espacios tridimensionales. Sin embargo, todaviafaltan soluciones clásicas, existencia y singularidad. Ya que el cálculo de la fuerza bruta esintratable para realizar simulación predictiva para un avión completo, uno puede usar la simulaciónnumérica directa (DNS); sin embargo, prohibitivamente caro ya que necesita resolver laturbulencia a escala de magnitud Re power (9/4). Considerando otros métodos como el estad¿¿sticopromedio Reynolds¿s Average Navier Stokes (RANS), spatial average Large Eddy Simulation(LES), y Hybrid Detached Eddy Simulation (DES), que requieren menos cantidad de grados delibertad. Todos estos métodos deben ajustarse a los problemas de referencia y, además, cerca las paredes, la malla tieneque ser muy fina para resolver las capas l¿¿mite (lo cual significa que el costo computacional es muycostoso). Por encima de todo, los resultados son sensibles a, por ejemplo, parámetros expl¿¿citos enel método, la malla, etc.Como una solución al desaf¿¿o, aqu¿¿ presentamos la adaptación Metodolog¿¿a de solución directa deFEM (DFS) con resolución numérica disparo, como una familia predictiva, libre de parámetros demétodos para flujo turbulento. Resolvimos el modelo de avión JAXA Standard Model (JSM) ennúmero realista de Reynolds, presentado como parte del High Lift Taller de predicción 3.Predijimos un aumento de Cl dentro de un error de 5 % vs experimento, arrastre Cd dentro de 10 %error y detenga 1 ¿ dentro del ángulo de ataque.El taller identificó un probable experimento error depedido 10 % para los resultados de arrastre. La simulación es 10 veces más rápido y más barato encomparación con CFD tradicional o existente enfoques. La eficiencia proviene principalmente dell¿¿mite de deslizamiento condición que permite mallas gruesas cerca de las paredes, orientada aobjetivos control de error adaptativo que refina la malla solo donde es necesario y grandes pasos detiempo utilizando un método de iteración de punto fijo tipo Schur, sin comprometer la precisión delos resultados de la simulación.También presentamos una generalización de DFS a densidad variable y validado contra el problemade referencia MARIN bien establecido. los Los resultados muestran un buen acuerdo con losresultados experimentales en forma de sensores de presión. Más tarde, usamos esta metodolog¿¿apara resolver dos aplicaciones en problemas de flujo multifásico. Uno tiene que ver con un flashtanque de almacenamiento de agua de lluvia (consorcio de agua de Bilbao), y el segundo es sobre eldiseño de una boquilla para impresión 3D. En el agua de lluvia tanque de almacenamiento,predijimos que la altura del agua en el tanque tiene un influencia significativa sobre cómo secomporta el flujo aguas abajo de la puerta del tanque (válvula). Para la impresión 3D,desarrollamos un diseño eficiente con El flujo de chorro enfocado para evitar la oxidación y elcalentamiento en la punta del boquilla durante un proceso de fusión.Finalmente, presentamos aqu¿¿ el paralelismo en múltiples GPU y el incrustado sistema dearquitectura Kalray. Casi todas las supercomputadoras de hoy tienen arquitecturas heterogéneas,1 See the UNESCO Internacional Standard nomenclature for fields of Science and Technologyacomo CPU+GPU u otros aceleradores, y, por lo tanto, es esencial desarrollar marcoscomputacionales para aprovecha de ellos. Como lo hemos visto antes, se comienza a desarrollar eseCFD más tarde en la década de 1060 cuando podemos tener poder computacional, por lo tanto, Esesencial utilizar y probar estos aceleradores para los cálculos de CFD. Las GPU tienen unaarquitectura diferente en comparación con las CPU tradicionales. Técnicamente, la GPU tienemuchos núcleos en comparación con las CPU que hacen de la GPU una buena opción para elcómputo paralelo.Para múltiples GPU, desarrollamos un cálculo de plantilla, aplicado a simulación depliegues geológicos. Exploramos la computación de halo y utilizamos Secuencias CUDA paraoptimizar el tiempo de computación y comunicación. La ganancia de rendimiento resultante fue de23 % para cuatro GPU con arquitectura Fermi, y la mejora correspondiente obtenida en cuatro LasGPU Kepler fueron de 47 %.This research was carried out at the Basque Center for Applied Mathematics (BCAM) within the CFD Computational Technology (CFDCT) and also at the School of Electrical Engineering and Computer Science(Royal Institue of Technology, Stockholm, Sweden). Which is suported by Fundacion Obra Social “la Caixa“, Severo Ochoa Excellence research centre 2014-2018 SEV-2013-0323, Severo Ochoa Excellence research centre 2018-2022 SEV-2017-0718, BERC program 2014-2017, BERC program 2018-2021, MSO4SC European project, Elkartek. This work has been performed using the computing infrastructure from SNIC (Swedish National Infrastructure for Computing)

High Performance Scientific Computing in Applications with Direct Finite Element Simulation

To predict separated flow including stall of a full aircraft with Computational Fluid Dynamics (CFD) is considered one of the problems of the grand challenges to be solved by 2030, according to NASA [1]. The nonlinear Navier- Stokes equations provide the mathematical formulation for fluid flow in 3- dimensional spaces. However, classical solutions, existence, and uniqueness are still missing. Since brute-force computation is intractable, to perform predictive simulation for a full aircraft, one can use Direct Numerical Simulation (DNS); however, it is prohibitively expensive as it needs to resolve the turbulent scales of order Re4 . Considering other methods such as statistical average Reynolds’s Average Navier Stokes (RANS), spatial average Large Eddy Simulation (LES), and hybrid Detached Eddy Simulation (DES), which require less number of degrees of freedom. All of these methods have to be tuned to benchmark problems, and moreover, near the walls, the mesh has to be very fine to resolve boundary layers (which means the computational cost is very expensive). Above all, the results are sensitive to, e.g. explicit parameters in the method, the mesh, etc. As a resolution to the challenge, here we present the adaptive time- resolved Direct FEM Solution (DFS) methodology with numerical tripping, as a predictive, parameter-free family of methods for turbulent flow. We solved the JAXA Standard Model (JSM) aircraft model at realistic Reynolds number, presented as part of the High Lift Prediction Workshop 3. We predicted lift Cl within 5% error vs. experiment, drag Cd within 10% error and stall 1◦ within the angle of attack. The workshop identified a likely experimental error of order 10% for the drag results. The simulation is 10 times faster and cheaper when compared to traditional or existing CFD approaches. The efficiency mainly comes from the slip boundary condition that allows coarse meshes near walls, goal-oriented adaptive error control that refines the mesh only where needed and large time steps using a Schur-type fixed-point iteration method, without compromising the accuracy of the simulation results. As a follow-up, we were invited to the Fifth High Order CFD Workshop, where the approach was validated for a tandem sphere problem (low Reynolds number turbulent flow) wherein a second sphere is placed a certain distance downstream from a first sphere. The results capture the expected slipstream phenomenon, with appx. 2% error. A comparison with the higher-order frameworks Nek500 and PyFR was done. The PyFR framework has demonstrated high effectiveness for GPUs with an unstructured mesh, which is a hard problem in this field. This is achieved by an explicit time-stepping approach. Our study showed that our large time step approach enabled appx. 3 orders of magnitude larger time steps than the explicit time steps in PyFR, which made our method more effective for solving the whole problem. We also presented a generalization of DFS to variable density and validated against the well-established MARIN benchmark problem. The results show good agreement with experimental results in the form of pressure sensors. Later, we used this methodology to solve two applications in multiphase flow problems. One has to do with a flash rainwater storage tank (Bilbao water consortium), and the second is about designing a nozzle for 3D printing. In the flash rainwater storage tank, we predicted that the water height in the tank has a significant influence on how the flow behaves downstream of the tank door (valve). For the 3D printing, we developed an efficient design with the focused jet flow to prevent oxidation and heating at the tip of the nozzle during a melting process. Finally, we presented here the parallelism on multiple GPUs and the embedded system Kalray architecture. Almost all supercomputers today have heterogeneous architectures, such as CPU+GPU or other accelerators, and it is, therefore, essential to develop computational frameworks to take advantage of them. For multiple GPUs, we developed a stencil computation, applied to geological folds simulation. We explored halo computation and used CUDA streams to optimize computation and communication time. The resulting performance gain was 23% for four GPUs with Fermi architecture, and the corresponding improvement obtained on four Kepler GPUs were 47%. The Kalray architecture is designed to have low energy consumption. Here we tested the Jacobi method with different communication strategies. Additionally, visualization is a crucial area when we do scientific simulations. We developed an automated visualization framework, where we could see that task parallelization is more than 10 times faster than data parallelization. We have also used our DFS in the cloud computing setting to validate the simulation against the local cluster simulation. Finally, we recommend the easy pre-processing tool to support DFS simulation.La Caixa 201

Reports about 8 selected benchmark cases of model hierarchies : Deliverable number: D5.1 - Version 0.1

Based on the multitude of industrial applications, benchmarks for model hierarchies will be created that will form a basis for the interdisciplinary research and for the training programme. These will be equipped with publically available data and will be used for training in modelling, model testing, reduced order modelling, error estimation, efficiency optimization in algorithmic approaches, and testing of the generated MSO/MOR software. The present document includes the description about the selection of (at least) eight benchmark cases of model hierarchies.EC/H2020/765374/EU/Reduced Order Modelling, Simulation and Optimization of Coupled Systems/ROMSO

Finite element simulations: computations and applications to aerodynamics and biomedicine.

171 p.Las ecuaciones en derivadas parciales describen muchos fenómenos de interés práctico y sus solucionessuelen necesitar correr simulaciones muy costosas en clústers de cálculo.En el ámbito de los flujos turbulentos, en particular, el coste de las simulaciones es demasiado grande sise utilizan métodos básicos, por eso es necesario modelizar el sistema.Esta tesis doctoral trata principalmente de dos temas en Cálculo Científico.Por un lado, estudiamos nuevos desarrollos en la modelización y simulación de flujos turbulentos;utilizamos un Método de Elementos Finitos adaptativo y un modelo de ¿número de Reynolds infinito¿para reducir el coste computacional de simulaciones que, sin estas modificaciones, serían demasiadocostosas.De esta manera conseguimos lograr simulaciones evolutivas de flujos turbulentos con número deReynolds muy grande, lo cual se considera uno de los mayores retos en aerodinámica.El otro pilar de esta tesis es una aplicación biomédica.Desarrollamos un modelo computacional de Ablación (Cardiaca) por Radiofrecuencia, una terapiacomún para tratar varias enfermedades, por ejemplo algunas arritmias.Nuestro modelo mejora los modelos existentes en varias maneras, y en particular en tratar de obteneruna aproximación fiel de la geometría del sistema, lo cual se descubre ser crítico para simularcorrectamente la física del fenómeno