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

Conception et mise en œuvre de multichronia, un cadre conceptuel de simulation visuelle interactive

Cette thèse présente Multichronia, un cadre conceptuel de simulation interactive fournissant une représentation visuelle du cheminement d'un utilisateur dans l'exploration des simulations d'un système complexe. En complément aux méthodes formelles d'analyse, Multichronia vise à aider ses utilisateurs à comprendre un système sous étude en fournissant quatre boucles interactives. La boucle d'exploration de l'espace des paramètres permet à un utilisateur de modifier des paramètres de simulation afin de tester des hypothèses. La boucle d'exploration de l'espace des simulations lui permet de manipuler les données correspondant à des instances de simulation. Notamment, elle rend disponible des opérations de sélection et d'alignement via une interface graphique. La boucle d'exploration de l'espace des données lui permet de transformer les flots de données. Finalement, la boucle d'exploration de l'espace visuel lui permet d'afficher des données et de manipuler leur aspect visuel. Afin de représenter le cheminement d'un utilisateur dans son exploration de l'espace des paramètres, une interface graphique a été développée. Il s'agit de Varbre multichro-nique, une vue formelle donnant une représentation informative de l'état de l'analyse d'un problème ainsi que la possibilité d'exécuter une foule d'opérations interactives. D'autre part, le cadre conceptuel Multichronia forme un pipeline de données générique allant d'un simulateur jusqu'à un logiciel d'analyse. Un modèle conceptuel peut être extrait de ce pipeline de même que le flux de données correspondant. Dans cette thèse, il a été spécialisé avec la technologie XML. Cette dernière permet entre autres de définir une méthodologie de conception du modèle de données associé à un simulateur. La mise en oeuvre de Multichronia a permis de vérifier la validité des concepts proposés. L'architecture logicielle adoptée est un cadre d'application, de sorte que de nouveaux simulateurs puissent être facilement exploités. Deux applications concrètes ont été implantées, soit la simulation tactique et stratégique de l'attaque de convois militaires. Des modifications mineures aux simulateurs ont été nécessaires afin qu'ils rencontrent certains critères établis dans cette thèse. Somme toute, ces applications ont montré que Multichronia peut être déployé pour des applications quelconques

Interactive Visualization and Steering of CFD Simulations

We describe a system that supports real-time interactive visualization of computational fluid dynamics (CFD) simulations. The system allows a user to place and manipulate visualization primitives, such as isolines and streamlines, during an ongoing simulation process. A user can interactively select and designate regions of the computational mesh for refinement as the simulation progresses, perform remeshing, and see the effects of the refinement on the simulation in real time. The system is being used for the study of two open problems in compressible fluid dynamics. We can interactively explore solutions as they are computed, identify flow field regions containing features of interest, and refine the grid in those regions in order to obtain a better result locally. The ability to visualize “live ” data, and to make changes to the computational setup in real time, has helped us to understand the underlying fundamental CFD simulation issues of these problems in shorter times than would otherwise have been possible

Interactive Visualization and Steering of CFD Simulations

We describe a system that supports real-time interactive visualization of computational fluid dynamics (CFD) simulations. The system allows a user to place and manipulate visualization primitives, such as isolines and streamlines, during an ongoing simulation process. A user can interactively select and designate regions of the computational mesh for refinement as the simulation progresses, perform remeshing, and see the effects of the refinement on the simulation in real time. The system is being used for the study of two open problems in compressible fluid dynamics. We can interactively explore solutions as they are computed, identify flow field regions containing features of interest, and refine the grid in those regions in order to obtain a better result locally. The ability to visualize live data, and to make changes to the computational setup in real time, has helped us to understand the underlying fundamental CFD simulation issues of these problems in shorter times than would otherwise have been possible