An integrated software approach to interactive exploration and steering of fluid flow simulations on many-core architectures

Traditionell werden numerische Strömungssimulationen in einer zyklischen Sequenz autonomer Teilschritte durchgeführt. Seitens Wissenschaftlern existiert jedoch schon lange der Wunsch nach mehr Interaktion mit laufenden Simulationen. Seit dem maßgeblichen Report der National Science Foundation im Jahre 1987 wurden daher neue Formen der wissenschaftlichen Visualisierung entwickelt, die sich grundlegend von den traditionellen Verfahren unterscheiden. Insbesondere hat der sogenannte Computational Steering-Ansatz reges Interesse bewirkt. Damals wie heute ist die Anwendung des Verfahrens jedoch eher die Ausnahme denn die Regel. Ursächlich dafür sind zu großen Teilen Komplexität und Restriktionen traditioneller Hochleistungssysteme. Im Rahmen dieser Arbeit wird daher als Alternative zu dem traditionellen Vorgehen die immense Leistungsfähigkeit moderner Grafikkartengenerationen für die Berechnungen herangezogen. Das sogenannte GPGPU-Computing eignet sich insbesondere für die Anwendung der Lattice-Boltzmann-Methode im Bereich numerischer Strömungssimulationen. Auf Grundlage des LBM-Verfahrens wird im Rahmen dieser Arbeit prototypisch eine interaktive Simulationsumgebung basierend auf dem Computational Steering-Paradigma entwickelt, das alle Prozesse zur Lösung von Strömungsproblemen innerhalb einer einzelnen Anwendung integriert. Durch die Konvergenz der hohen massiv parallelen Rechenleistung der GPUs und der Interaktionsfähigkeiten in einer einzelnen Anwendung kann eine erhebliche Steigerung der Anwendungsqualität erzielt werden. Dabei ist es durch Einsatz mehrerer GPUs möglich, dreidimensionale Strömungsprobleme mit praxisrelevanter Problemgröße zu berechnen und gleichzeitig eine interaktive Manipulation und Exploration des Strömungsgebiets zur Laufzeit zu ermöglichen. Dabei ist der erforderliche finanzielle Aufwand verglichen mit traditionellen massiv parallelen Verfahren verhältnismäßig gering.Traditionally, computational fluid dynamics is done in a cyclic sequence of independent steps. Howerver it is a long term wish of scientists and engineers to closely interact with their running simulations. Since the influential report of the US National Science Foundation in 1987 new forms of scientific visualization have evolved that are quite different from traditional post-processing. Especially the approach commonly referred to as computational steering has been the subject of widespread interest. Although it is a very powerful paradigm, the use of computational steering is still the exception rather than the rule. The reasons for this are more or less related to the complexity and restrictions of traditional HPC systems. As an alternative to the traditional massively parallel approach, in this thesis the parallel computational power of GPGPUs is used for general purpose applications. The so called GPGPU computing has gained large popularity in the CFD community, especially for its application to the lattice Boltzmann method. Using this technology this work demonstrates a single desktop application integrating a complete interactive CFD simulation environment for reasonable hardware costs. It shows that the convergence of massive parallel computational power and steering environment into a single system significantly improves the usability, application quality and user-friendliness. Using multiple GPUs, the efficiency of this approach allows for CFD simulations in three dimensional space evolving close to real-time even for reasonable grid sizes. Thereby, the simulation can be explored and also adjusted during runtime. The thesis also shows that the responsiveness significantly benefits from avoiding common bandwidth and latency bottlenecks inherent in traditional HPC approaches. Those can be avoided as GPGPU computing does not generally require network communication, which also reduces the complexity of the application

32. Forum Bauinformatik 2021

Das Forum Bauinformatik ist eine jährlich stattfindende Tagung und ein wichtiger Bestandteil der Bauinformatik im deutschsprachigen Raum. Insbesondere Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern bietet es die Möglichkeit, ihre Forschungsarbeiten zu präsentieren, Problemstellungen fachspezifisch zu diskutieren und sich über den neuesten Stand der Forschung zu informieren. Es bietet sich ausgezeichnete Gelegenheit, in die wissenschaftliche Gemeinschaft im Bereich der Bauinformatik einzusteigen und Kontakte mit anderen Forschenden zu knüpfen

Die Kumulanten Lattice Boltzmann Methode für komplexe Ingenieurprobleme

Computational Fluid Dynamics (CFD) uses numerical methods to solve problems involving fluid flows, e.g. in automotive engineering, energy, civil engineering, and aerospace. One of these methods is the lattice Boltzmann method (LBM). Beside giving accurate results for a wide range of complex flows, the LBM lends itself to efficient implementations on massively parallel systems such as the general-purpose computing on graphics processing units (GPGPU). This work considers the cumulant LBM, which overcomes some problems of classical LBMs, such as the violation of the Galilean invariance, the spurious coupling of the degrees of freedoms, and the hyper-viscosity. In order to enable the cumulant LBM for complex CFD engineering problems, this work focuses on the discretization of the computational domain and the analysis of turbulent flows in the near-wall region. The grid generation for LBM deals with several issues such as the second order boundary definition, the free shape grid refinement, and the level wise load balancing for parallel meshes. While discretizing complex geometries, these issues have to be handled simultaneously. Turbulent flows close to walls are characterized by high velocity gradients in a thin region called the boundary layer. In order to resolve numerically the boundary layer, a grid with a high resolution is required resulting in a high computational cost for the simulation. Empirical functions can be used for modelling the boundary layer, allowing to estimate the quantities at the wall even with coarse grids, and thus increasing the efficiency of the numerical simulation. In this work, a new grid generator that addresses the LBM discretization issues is implemented. It creates free shape multi-level three-dimensional meshes with second order accurate boundary definition for very complex geometries. It can be applied for generating grids of complex bodies, such as cars, porous media, and urban areas. Regarding the near-wall region treatment, a new wall function is introduced. It uses local information at the boundary nodes for recovering the quantities at the wall. For generating a proper turbulence for wall bounded flows, a new set of relaxation parameters is introduced, which eliminates the spurious dependence of the error on the bulk viscosity. In conclusion, this work addresses two important aspects for enabling the cumulant LBM for complex fluid flow problems: grid generation and boundary treatment for turbulent flows.Computational Fluid Dynamics (CFD) setzt numerische Methoden ein um Strömungsproblemen zu lösen, wie sie z.B. in der Fahrzeugtechnik, der Energietechnik, im Bauingenieruwesen und im Flugzeugbau auftreten. Eine dieser Methoden ist die lattice Boltzmann method (LBM). Die LBM gibt nicht nur akkurate Ergebnisse für verschiedene Strömungproblemen, sondern eignet sich zusätzlisch besonders gut zur Implementierung auf massiv paralleler Hardware wie z.B. general-purpose computing on graphics processing units (GPGPU). Diese Arbeit befasst sich mit der Kumulanten LBM, die einige Probleme der klassichen LBM überkommt, wie z.B. die Verletzung der Galilei-Invarianz, die parasitäre Kopplung der Freiheitsgrade und die Hyper-Viskosität. Um die Kumulanten LBM zu befähigen komplexe Ingenieurprobleme zu lösen befasst sich diese Arbeit mit der Diskretizierung des Rechengebietes und der Analyse der Strömung in der Nähe der Wand. Die Gittergenerierung für die LBM befasst sich mit verschiedenen Fragestellungen wie der Definition von Randbedingungen zweite Ordnung, der Freistiel-Gitterverfeinerung und der levelweisen Lastbalanzierung. Für komplexe Geometrien müssen diese Fragestellungen gleichzeitig behandelt werden. Turbulente Strömungen in Wandnähe sind durch starke Gradienten in eine dünnen Schicht charakterisiert die man als Grenzschicht bezeichnet. Um diese Grenzschicht numerische abzubilden sind Gitter mit hoher Auflösung notwendig, was zu teuren Simulationen führt. Empirische Funktionen können benutzt werden um die Werte an der Wand selbst auf gröben Gittern abzuschätzen, was die Effizienz der numerischen Methode erhöht. In dieser Arbeit wird ein Gittergenerator implementiert, der die Eigenschaften der LBM berücksichtigt. Er generiert freistiel multi-level dreidimensionale Gitter mit Randbedingungen zweite Ordnung für komplexe Geometrien. Er kann benutzt werden um Gitter komplexer Körper wie Autos, porösen Medien und urban Gebieten zu erstellen. Für die wandnahe Strömung wird eine neue Wandfunktion eingeführt. Sie benutzt lokale Informationen an den Randknoten um die Werte an der Wand zu bestimmen. Um eine geeignet turbulente Strömung zu erzeugen wird ein neuer Satz von Relaxationsparametern eingeführt, der die parasitäre Abhängigkeit des Fehlers von der Volumenviskosität eliminiert. Zusammengefasst befasst sich diese Arbeit mit zwei wichtigen Aspekten für der Kumulanten LBM im Zusammenhang mit komplexe Ingenieurproblemen: der Gittergenerierung und der Wandbehandlung für turbulente Strömung

Entwicklung und Validierung von Turbulenzmodellen für Lattice Boltzmann Methoden

Computational fluid mechanics has become a standard approach in many branches of engineering. Simulation of flow on the building- and infrastructure scale, however, remains very challenging and is mostly restricted to basic research at the present stage. In particular, accurate, three-dimensional, time-resolved simulation such as Large Eddy Simulation is still rarely used despite its potential. On the other hand, it is reasonable to expect a growing influence of these methods as computers become more powerful and numerical methods evolve. In the present work the Lattice Boltzmann method is chosen as a starting point to analyze simulations of flow around buildings. This approach appears to be particularly apt for such applications due to its very good scalability with respect to parallel computing. Different variants of the Lattice Boltzmann method, namely the Lattice Bhatnagar-Gross-Krook method, the Multiple Relaxation Time method, and variants of the Cascaded Lattice Boltzmann (CLB) method have been implemented and compared on the basis of standard benchmarks. Several turbulence models, such as the Smagorinsky model, the wall adapting local eddy-viscosity model, and Vreman’s model have been investigated. One focus was on the applicability of the Lattice Boltzmann method to turbulent flows, considering also the interdependence between the numerical method and the LES model. Particular attention was paid to the ability of these models to correctly reproduce turbulent shear flows. Some typical infrastructure elements have been studied and compared to wind-tunnel data. The simulations were carried out on a PC cluster and on graphics processing chips. Overall, the Lattice Boltzmann method has yielded good results for turbulent flow simulations, which is documented in several benchmarks. In particular, the results for the Factorized CLB model show for the first time for a reasonably complex benchmark, that the model performs well for turbulent flows, for which an explanation is attempted.Strömungsmechaniksimulationen sind in vielen Bereichen des Ingenieurwesens bereits Standard. Für die anspruchsvollen Simulationen von Strömungen auf Gebäudeskala im Bauingenieurwesen ist dies jedoch aufgrund des hohen Aufwands und der komplexen Geometrien noch nicht der Fall. Insbesondere zeitaufgelöste dreidimensionale Simulationen wie Large Eddy Simulationen finden in der Praxis kaum Anwendung. Andererseits kann damit gerechnet werden, dass mit der zunehmender Leistungsfähigkeit von Rechnersystemen und Fortschritten bei numerischen Methoden relevante Anwendungen immer praktikabler werden. In dieser Arbeit wurde als Ausgangspunkt das Lattice Boltzmann (LB) Verfahren gewählt. Aufgrund der guten Parallelisierbarkeit eignet es sich für derart aufwändige Anwendungen besonders. Verschiedene Varianten des LB-Verfahrens, nämlich das Lattice-Bhatnagar-Gross-Krook-Verfahren , das Multiple-Relaxation-Time-Verfahren und Varianten des Kaskadierten Lattice-Boltzmann-Verfahrens (CLB), wurden implementiert und anhand von Benchmarks verglichen. Desweiteren wurden verschiedene Turbulenzmodelle, wie das Smagorinsky-Modell, das wall adapting local eddy-viscosity-Modell und das Vreman-Modell untersucht. Dabei wurde ein besonderes Augenmerk auf die Anwendbarkeit der LB-Modelle bei turbulenten Strömungen gerichtet und auch berücksichtigt, dass eine Wechselwirkung zwischen dem verwendeten LB-Modell und dem Large-Eddy-Modell vorliegt. Beispielhaft wurden dann die Strömung in und um einige Strukturen auf Gebäudeskala, bzw. entsprechender Windkanalmodelle, untersucht. Dazu wurden verteilte Rechnungen auf einem CPU-Cluster und auf Grafikkarten (GPGPUs) durchgeführt. Im Allgemeinen hat das LB Verfahren gute Ergebnisse für turbulente Strömungen geliefert. Insbesondere die Ergebnisse zum faktorisierten CLB-Modell zeigen zum ersten Mal an einem komplexen Testfall, dass dieses Modell für turbulente Strömungen gut geeignet ist, wofür auch Erklärungsansätze geliefert werden