Diagnostic tools for 3D unstructured oceanographic data

Most ocean models in current use are built upon structured meshes. It follows that most existing tools for extracting diagnostic quantities (volume and surface integrals, for example) from ocean model output are constructed using techniques and software tools which assume structured meshes. The greater complexity inherent in unstructured meshes (especially fully unstructured grids which are unstructured in the vertical as well as the horizontal direction) has left some oceanographers, accustomed to traditional methods, unclear on how to calculate diagnostics on these meshes. In this paper we show that tools for extracting diagnostic data from the new generation of unstructured ocean models can be constructed with relative ease using open source software. Higher level languages such as Python, in conjunction with packages such as NumPy, SciPy, VTK and MayaVi, provide many of the high-level primitives needed to perform 3D visualisation and evaluate diagnostic quantities, e.g. density fluxes. We demonstrate this in the particular case of calculating flux of vector fields through isosurfaces, using flow data obtained from the unstructured mesh finite element ocean code ICOM, however this tool can be applied to model output from any unstructured grid ocean code

An exact general remeshing scheme applied to physically conservative voxelization

We present an exact general remeshing scheme to compute analytic integrals of polynomial functions over the intersections between convex polyhedral cells of old and new meshes. In physics applications this allows one to ensure global mass, momentum, and energy conservation while applying higher-order polynomial interpolation. We elaborate on applications of our algorithm arising in the analysis of cosmological N-body data, computer graphics, and continuum mechanics problems. We focus on the particular case of remeshing tetrahedral cells onto a Cartesian grid such that the volume integral of the polynomial density function given on the input mesh is guaranteed to equal the corresponding integral over the output mesh. We refer to this as "physically conservative voxelization". At the core of our method is an algorithm for intersecting two convex polyhedra by successively clipping one against the faces of the other. This algorithm is an implementation of the ideas presented abstractly by Sugihara (1994), who suggests using the planar graph representations of convex polyhedra to ensure topological consistency of the output. This makes our implementation robust to geometric degeneracy in the input. We employ a simplicial decomposition to calculate moment integrals up to quadratic order over the resulting intersection domain. We also address practical issues arising in a software implementation, including numerical stability in geometric calculations, management of cancellation errors, and extension to two dimensions. In a comparison to recent work, we show substantial performance gains. We provide a C implementation intended to be a fast, accurate, and robust tool for geometric calculations on polyhedral mesh elements.Comment: Code implementation available at https://github.com/devonmpowell/r3

Digital system of quarry management as a SAAS solution: mineral deposit module

Purpose. Improving the efficiency of functioning the mining enterprises and aggregation of earlier obtained results into a unified digital system of designing and operative management by quarry operation. Methods. Both the traditional (analysis of scientific and patent literature, analytical methods of deposit parameters research, analysis of experience and exploitation of quarries, conducting the passive experiment and processing the statistical data) and new forms of scientific research - deposit modeling on the basis of classical and neural network methods of approximation – are used in the work. For the purpose of the software product realization on the basis of cloud technologies, there were used: for back-end implementation – server-based scripting language php; for the front-end – multi-paradigm programming language javascript, javascript framework jQuery and asynchronous data exchange technology Ajax. Findings. The target audience of the system has been identified, SWOT-analysis has been carried out, conceptual directions of 3D-quarry system development have been defined. The strategies of development and promotion of the software product, as well as the strategies of safety and reliability of the application both for the client and the owner of the system have been formulated. The modular structure of the application has been developed, and the system functions have been divided to implement both back-end and front-end applications. The Mineral Deposit Module has been developed: the geological structure of the deposit has been simulated and its block model has been constructed. It has been proved that the use of neural network algorithms does not give an essential increase in the accuracy of the block model for the deposits of 1 and 2 groups in terms of the geological structure complexity. The possibility and prospects of constructing the systems for subsoil users on the basis of cloud technologies and the concept of SaaS have been substantiated. Originality. For the first time, the modern software products for solving the problems of designing and operational management of mining operations have been successfully developed on the basis of the SaaS concept. Practical implications. The results are applicable for enterprises-subsoil users, working with deposits of 1 and 2 groups in terms of the geological structure complexity: design organizations, as well as mining and processing plants.Мета. Підвищення ефективності функціонування гірничорудних підприємств та агрегація раніше отриманих результатів в єдину цифрову систему проектування і оперативного управління роботою кар’єрів. Методика. У роботі використані як традиційні (аналіз науково-патентної літератури, аналітичні методи дослідження параметрів родовища, аналіз досвіду й експлуатації кар’єрів, проведення пасивного експерименту та статистичної обробки даних), так і нові форми наукового дослідження – моделювання родовища на основі класичних і нейромережевих методів апроксимації. Для реалізації програмного продукту на основі хмарних технологій використані: для реалізації back-end – серверна скриптова мова програмування php; для front-end – мультипарадігменна мова програмування javascript, javascript framework jQuery і технологія асинхронного обміну даними Ajax. Результати. Виявлено цільову аудиторію системи, проведено SWOT-аналіз, визначено концептуальні напрями розвитку системи 3D-кар’єр, розроблені стратегії розвитку та просування програмного продукту, розроблені стратегії безпеки й надійності додатки як для клієнта, так і власника системи. Розроблено модульну структуру програми, вироблено розподіл функцій системи для реалізації як back-end і front-end додатки. Розроблено модуль “Родовище”: проведено моделювання геологічної структури родовища та побудована його блокова модель. Доведено, що використання нейромережевих алгоритмів не дає принципового підвищення точності блокової моделі для родовищ 1 і 2 груп за складністю геологічної будови. Виявлено недоліки нейромережевих алгоритмів, такі як високі витрати обчислювальних ресурсів сервера і проблеми візуалізації великих масивів геоданих при використанні web-рішень, знайдені шляхи їх вирішення. Доведено можливість і перспективність побудови систем для надрокористувачів на основі хмарних технологій і концепції SaaS. Наукова новизна. Вперше на основі концепції ASP успішно побудовані сучасні програмні продукти для вирішення завдань проектування та оперативного керування гірничими роботами. Практична значимість. Результати корисні для підприємств-надрокористувачів, які працюють з родовищами 1 і 2 груп за складністю геологічної будови – проектних організацій і ГЗК.Цель. Повышение эффективности функционирования горнорудных предприятий и агрегация ранее полученных результатов в единую цифровую систему проектирования и оперативного управления работой карьеров. Методика. В работе использованы как традиционные (анализ научно-патентной литературы, аналитические методы исследования параметров месторождения, анализ опыта и эксплуатации карьеров, проведение пассивного эксперимента и статистической обработкой данных), так и новые формы научного исследования – моделирование месторождения на основе классических и нейросетевых методов аппроксимации. Для реализации программного продукта на основе облачных технологий использованы: для реализации back-end – серверный скриптовый язык программирования php; для front-end – мультипарадигменный язык программирования javascript, javascript framework jQuery и технология асинхронного обмена данными Ajax. Результаты. Выявлена целевая аудитория системы, проведен SWOT-анализ, определены концептуальные направления развития системы 3D-карьер, разработаны стратегии развития и продвижения программного продукта, разработаны стратегии безопасности и надежности приложения как для клиента, так и владельца системы. Разработана модульная структура приложения, произведено деление функций системы для реализации как back-end и front-end приложения. Разработан модуль “Месторождение”: проведено моделирование геологической структуры месторождения и построена его блочная модель. Доказано, что использование нейросетевых алгоритмов не дает принципиального повышения точности блочной модели для месторождений 1 и 2 групп по сложности геологического строения. Выявлены недостатки нейросетевых алгоритмов, такие как высокие затраты вычислительных ресурсов сервера и проблемы визуализации больших массивов геоданных при использовании web-решений, найдены пути их решения. Доказана возможность и перспективность построения систем для недропользователей на основе облачных технологий и концепции SaaS. Научная новизна. Впервые на основе концепции ASP успешно построены современные программные продукты для решения задач проектирования и оперативного управления горными работами. Практическая значимость. Результаты применимы для предприятий-недропользователей, работающих с месторождениями 1 и 2 групп по сложности геологического строения – проектных организаций и ГОКов.We express our profound gratitude to A.B. Naizabekov for his assistance in scientific research, to A.F. Tsekhovoy, P.A. Tsekhovoy, D.Sh. Akhmedov, V. V. Yankovenko and D.V. Nikitas for scientific advice in implementation of the program code. The research was carried out within the framework of the initiative research theme “Improving the Efficiency of Mining Enterprises” on the basis of the RSE at the Rudny Industrial Institute of the Ministry of Education and Science of the Republic of Kazakhstan

Visualization of interface instabilities in two-phase flow

The simulation of two-phase flow is a very important topic which influences many modern fields of research, such as the development of combustion engines and turbines. Hence, it is a crucial task to analyze these simulation results. To this end, this thesis introduces new ideas for the calculation of the change in size of the surface area of droplets, the so-called interface stretching, and its visualization. As underlying vector field, both the surface tension force, as well as the actual velocity field provided by the simulation are used. Reconstructing the interface of a Volume-of-Fluid (VOF) field using PLIC (Piecewise Linear Interface Calculation), the changes of the interface can be calculated using different methods and are visualized using various techniques. Coloring corresponding to the stretching or contraction of the surface, as well as vector glyphs can be used to find areas of interest and provide enough information that rough estimates of the transformation of the droplets can me made. Especially using the surface tension force, local changes, such as deformation and changes in topology can be predicted