2D shallow flow simulation using GPU technologies

Los modelos matemáticos y métodos numéricos implicados en la simulación de flujos con superficie libre han sido estudiados durante tiempo en el Grupo de Hidráulica Computacional de la Universidad de Zaragoza. Estos modelos son la base de nuevos desarrollos como el transporte de sedimento, el modelado de interacción con puentes o el acoplamiento hidrológico. A pesar de la calidad de estos métodos, el coste computacional es muy alto y en gran parte esto se debe a la tecnología numérica que requieren. Con la finalidad de superar esta limitación, este trabajo estudia la implementación de un código de simulación hidráulica orientada a ejecución en GPU, permitiendo simular un amplio conjunto de situaciones transitorias en gran escala temporal, con un tiempo de simulación razonable. El coste computacional de éste tipo de herramientas ha sido reducido, tradicionalmente, utilizando técnicas de paralelismo, implicando un alto número de procesadores para reducir el tiempo de cálculo al máximo. En los últimos años, las frecuencias de los procesadores parecen haber alcanzado su límite por lo que las técnicas de paralelismo en procesadores masivos son una nueva opción. En este trabajo, se analiza el rendimiento del código implementado en GPU, comparándolo con su equivalente en CPU. Este segudo, viene siendo desarrollado, en su totalidad, en Fortran mientras que el primero, ha sido desarrollado utilizando el lenguaje de programación C, compartiendo el procesamiento geométrico con la versión CPU. Las fucionalidades implementadas en la versión GPU, cubre una gran parte de situaciones de interés, tales como el avance de una inundación, los cambios de fondo y fricción y algunas condiciones de contorno de entrada y de salidas. La implementación del método en GPU no es trivial y requiere de un conocimiento en profundidad del funcionamiento de esta tecnología a bajo nivel. Los beneficios de la versión GPU serán analizados a través de la aceleración repecto a la versión CPU en diferentes tipos de caso. EL rendimiento del código GPU además, será medido teniendo en cuenta el uso de mallas no estructuradas, las cuales suelen ser necesarias en muchos codigos de CFD. Para su simulación, se utilizará la GPU Tesla c2075 de nVidia. Además se utilizará el estándar CUDA, que hace la programación más sencilla que otros estándar en programción GPU, permietiendo al programador exprimir los beneficios de esta tecnología

Estrategias de paralelización de un código de simulación hidráulica de flujos transitorios 2D en volúmenes finitos

En este proyecto se plantea la optimización de SFS2D, un código científico de simulación hidráulica, secuencial y escrito en Fortran, con una gran carga computacional. SFS2D sirve para modelar situaciones muy diversas que van desde la simulación de las consecuencias de una rotura de presa al estudio de una crecida repentina del caudal de un río. SFS2D ha sido desarrollado por el Grupo de Hidráulica Computacional de la Universidad de Zaragoza y se basa en un método de resolución de flujos de superficial libre que en la actualidad sirve como soporte para desarrollar nuevos modelos numéricos acoplados. Sin embargo, tras varios años de evolución, el rendimiento de SFS2D es escaso y las simulaciones de interés se prolongan demasiado en el tiempo. Esto es un problema a la hora de obtener resultados, siendo necesaria algún tipo de optimización que haga disminuir estos tiempos lo máximo posible. Para esto y como veremos a lo largo del trabajo, se han estudiado distintas opciones de optimización, desde las proporcionadas por el propio compilador hasta el desarrollo de versiones adaptadas a diversas plataformas multiprocesador. Para ello, se han considerado los dos modelos principales de ejecución paralela en cálculos científicos: memoria compartida y paso de mensajes. La versión paralela de memoria compartida se ha codificado utilizando primitivas OpenMP y es apropiada para su ejecución en máquinas \emph{multicore}, que integran varios procesadores de alto rendimiento en un chip. La versión paralela basada en memoria distribuída se ha programado usando primitivas MPI y es apropiada para su ejecución de un número potencialmente grande de nodos de cálculo independientes pero conectados mediante una red de alto rendimiento (máquinas de memoria distribuida). En la evaluación experimental se observa que el escalado de la versión basada en paso de mensajes es muy bueno también en máquinas de memoria compartida por lo que se considera la aportación principal de este proyecto. Para caracterizar el rendimiento de nuestras soluciones, usamos como carga de trabajo tres simulaciones diferentes que cubren la casuística general de las simulaciones que se hacen a través del ámbito abarcado por SFS2D. La evaluación del rendimiento se ha realizado además en máquina real, utilizando tres clúster \footnote{Conjunto de nodos de cálculo} suficientemente distintos como para dar validez a nuestras conclusiones. El primero de ellos es un clúster conformado por equipos de características no destinado a este tipo de ejecuciones. El segundo equipo, denominado Terminus, está especializado en computación y consigue una gran densidad de cálculo mediante una organización en blades y una jerarquía de interconexión optimizada. Por último se utiliza también el nodo de la Red Española de Supercomputación en Zaragoza, Caesaraugusta. Caesaraugusta es un supercomputador destinado únicamente a cálculo científico de memoria distribuida con 512 procesadores interconectados mediante una red de baja latencia (Myrinet)

Estudio comparativo y análisis de sensibilidad de un modelo computacional de simulación hidráulica para flujos en superficie libre

El objetivo del Trabajo fin de Grado que se presenta es el análisis de la calidad de los resultados de un modelo computacional de simulación en volúmenes finitos para estudios medioambientales utilizando distintas técnicas de discretización espacial (mallas) y diferentes implementaciones de programación. Los problemas que se estudian son de flujo transitorio en superficie libre sobre superficies irregulares. Se trata de abordar estudios de inundabilidad mediante propagación de ondas. Para simular este tipo de fenómenos existen muchos modelos computacionales. La U.K. Environment Agency generó en 2009 un conjunto de situaciones tipo que permiten la comparaciṕon objetiva entre paquetes de simulación hidráulica comerciales. En este trabajo, el modelo computacional posee un núcleo de cálculo desarrollado en el Área de Mecánica de Fluidos de la Escuela de Ingeniería y Arquitectura (EINA) de la Universidad de Zaragoza, concretamente por el Grupo de Hidráulica Computacional. Es este núcleo de cálculo el que se somete a análisis y sobre el que se realiza el estudio comparativo

Calibración de una herramienta informática de control de compuertas en un canal para sistemas de riego

En nuestro país el mayor consumidor de agua dulce es el regadío. Con más de 3,2 millones de hectáreas de superficie regada su consumo está por encima del 80% de la demanda total de los recursos hídricos. En la actualidad se ha alcanzado ya una plena conciencia del problema vital que representa tratar el agua como un elemento de gran valor. En el ámbito del consumo humano se establecen campañas de orientación al ahorro. Las nuevas instalaciones y redes se construyen con este objetivo y las antiguas se adaptan con el mismo fin en el llamado plan de modernización de regadíos. Parece lógico plantear que cualquier metodología aplicada a optimizar los consumos es fundamental por el gran peso en demanda sobre el total de los recursos hídricos que este sector exige. La investigación y la puesta en marcha en la vida real, en el campo del riego a través de redes de canales, están progresando en la implementación de elementos de control que permitan reducir la mano de obra necesaria para la regulación y aumentar la calidad de servicio. Se requiere una modernización que incluye la automatización de los canales a fin de minimizar las pérdidas generadas en el transporte y distribución de agua, consiguiendo optimizar el uso de este bien escaso. Con el objetivo fundamental puesto en conseguir una herramienta computacional que gestione adecuadamente el control de compuertas se ha realizado este trabajo. En el proyecto se va a calibrar y validar una herramienta de simulación numérica desarrollada por el grupo de Hidráulica Computacional de la Universidad de Zaragoza (http://ghc.unizar.es) para gestionar el control de compuertas en redes de riego de canales. El correcto funcionamiento de las estructuras de control de los canales es un problema abierto después de décadas de investigación y desarrollo en el que se busca una metodología robusta y eficiente para el control óptimo, rápido y fiable. Para ello se han diseñado casos test adecuados desde el nivel más sencillo al más complejo que servirán de base de la calibración y a la vez se analiza la sensibilidad de los parámetros de simulación. Finalmente todo lo aprendido se aplica a un caso real complejo como es el canal de Pina de Ebro de aproximadamente 12 km de longitud que contiene 4 compuertas transversales y 19 tomas laterales

A Simulation Based Optimal Control System For Water Resources

Nowadays, the increasing demand of water resources has become one of the most relevant issues when water supply must be guaranteed as in the case of irrigation comunities. It becomes difficult to provide the predictive optimal behavior of regulation structures when the regime of the flow is changing in time and, moreover, when this regulation modifies the hydraulic conditions of the structure. One of the most widely used solution for control is PID. The disadvantages of PID control are the difficulties in the presence of non-linearities as well as the PID parameters tuning. Taking into account previous works about sluice gate formulation and its hydraulics, an equivalent formulation is going to be applied to obtain the control signal for the gate. This will make possible to build a system that allows the optimal control of the gate in order to obtain, for instance, a desired volume of water in the least time possible with the minimum water loss. In this work, a reformulation of the problem is analyzed and then, an equivalent the control is applied to sluice gate flow to obtain a simulation based control system and a near real-time solution is explored using adjoint variable formulation

Desarrollo de un servicio web de simulación con aplicación en el diseño de sistemas de distribución de agua

Desarrollo de una herramienta web al servicio de un simulador de redes de canales hidráulicos de lámina libre. Todo ello realizado en la nube, esto es, sin necesidad de descargar ni instalar software en el dispositivo conectado desde el que se esté utilizando. Es este punto, junto a la usabilidad, el que marca la diferencia entre este programa y algunos otros existentes que deben ser ejecutados en local desde su propio equipo

High Performance GPU Speed-Up Strategies For The Computation Of 2D Inundation Models

Two-dimensional (2D) models are increasingly used for inundation assesements in situations involving large domains of millions of computational elements and long-time scales of several months. Practical applications often involve a compromise between spatial accuracy and computational efficiency and to achieve the necessary spatial resolution, rather fine meshes become necessary requiring more data storage and very long computer times comparable to the real simulated process (e.g. 1 month of real-time simulation may require 1 month of computations approximately). Obviously, using conventional 2D non-parallelized models (CPU based) make simulations impractical in real project applications, but improving the performance of such complex models constitutes an important challenge not yet resolved. We present the newest developments of the RiverFLO-2D Plus model based on a fourth-generation finite volume numerical scheme on flexible triangular meshes that can run on highly efficient Graphical Processing Units (GPU’s). In order to reduce the computational load, we have implemented both OpenMP parallelization and GPU techniques. Since dealing with transient inundation flows the number of wet elements change during the simulation, we developed a dynamic task assignment to the processors that ensures a balanced their work load. Our method to control strict volume conservation (errors of Order 10-14 %) the numerical modeling of the wetting/drying fronts involves a correction step that is not fully local. This introduces an additional difficulty for the code parallelization. We present results that show that the proposed methods reducing computational time by more than 30 times in comparison to equivalent CPU implementations. We present performance tests using the latest GPU hardware technology, such as the NVIDIA K20m that show that the parallelization techniques implemented in RiverFLO-2D Plus can significantly reduce the Computational-Load/Hardware-Investment ratio by a factor of 200-300 allowing 2D model end-users to obtain the performance of a super computation infrastructure at a much lower cost

A Comparative Study Of Accuracy And Performance Between A Fully 2D GPU Based And A 1D-2D Coupled Numerical Model In A Real River

Hydraulic simulation is becoming a very widely used tool to provide information about the duration, the extension and the magnitude of a flooding episode. In the last decade, the advances in the numerical schemes, connected to the evolution experimented in the power of computers have allowed to aim for maximum accuracy in the results instead of working with simplified models. In particular, two main implementations have been extensively developed in the recent years: 1D-2D coupled numerical models and fully 2D models under GPU technologies. These strategies allow to simulate a wide range of applications over large domains and time scale problems, computing them at an affordable cost. Both 2D model and 1D-2D coupled model are implemented using a finite volume framework using a conservative upwind cell-centered formulation based on Roe\u27s Riemann solver across the edges. In particular, the 1D-2D model is constructed with a novel technique that computes the average values and solves the Riemann Problem at the coupled edges while the 2D model uses the same numerical method performing the computation by means of the last GPU technology. The topography is represented by means of triangular unstructured meshes for the 2D model and with cross sections for the 1D domain inside the coupled model. Both models were previously validated with experimental measurements, analytical solutions in academic and realistic configurations. A real river configuration with different scenarios and field data is presented. Not only the error made with respect the measurements is analyzed, but also the CPU time is evaluated in order to decide whether or not to use the 1D-2D coupled or the GPU model

Two-Dimensional Numerical Simulation of Bed-Load Transport of a Finite-Depth Sediment Layer: Applications to Channel Flushing

Numerical modeling of bed-load transport in shallow flows, particularly oriented toward environmental flows, is an active field of research. Nevertheless, other possible applications exist. In particular, bed-load transport phenomena are relevant in urban drainage systems, including sewers. However, few applications of coupled two-dimensional (2D) shallow-water and bed-load transport models can be found, and their transfer from environmental applications-usually river and floodplain-into sewer applications requires some adaptation. Unlike to river systems, where there is a thick layer of sediment that constitutes a movable riverbed, sewer systems have thin layers of sediment that need to be removed, thus exposing a rigid, nonerodible surface. This problem requires careful numerical treatment to avoid generating errors and instability in the simulation. This paper deals with a numerical approach to tackle this issue in an efficient way that allows large-scale studies to be performed and provides empirical evidence that the proposed approach is accurate and applicable for sewage and channel-flushing problems. (C) 2017 American Society of Civil Engineers

Validation and simulation of a regulated survey system through Monte Carlo techniques

[EN] Channel flow covers long distances and obeys to variable temporal behaviour. It is usually regulated by hydraulic elements as lateral gates to provide a correct of water supply. The dynamics of this kind of flow is governed by a partial differential equations system named shallow water model. They have to be complemented with a simplified formulation for the gates. All the set of equations form a non-linear system that can only be solved numerically. Here, an explicit upwind numerical scheme in finite volumes able to solve all type of flow regimes is used. Hydraulic structures (lateral gates) formulation introduces parameters with some uncertainty. Hence, these parameters will be calibrated with a Monte Carlo algorithm obtaining associated coefficients to each gate. Then, they will be checked, using real cases provided by the monitorizing equipment of the Pina de Ebro channel located in Zaragoza.[ES] El flujo en canales se caracteriza por cubrir largas distancias y obedecer a patrones temporales variables. Suele estar regulado por elementos hidráulicos, como compuertas laterales, para asegurar un correcto abastecimiento de agua. La dinámica de este flujo viene gobernada por un sistema de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales llamado de aguas poco profundas. Junto a ellas es necesario establecer una formulación simplificada del funcionamiento de las compuertas. El conjunto forma un sistema no lineal que sólo se puede resolver numéricamente. Aquí se propone un esquema descentrado explícito de volúmenes finitos con el fin de resolver todo tipo de regímenes. La modelización de las estructuras hidráulicas (compuertas laterales) introduce parámetros con incertidumbre. Por ello, serán calibradas mediante el algoritmo de Monte Carlo, obteniendo como resultado unos coeficientes asociados a cada una de ellas. Posteriormente serán verificadas utilizando casos reales proporcionados por el equipo de monitorización del canal de Pina de Ebro (Zaragoza).Los autores de este trabajo agradecen la financiación del Ministerio de Ciencia e Innovación (BIA2011-30192-C02-01), a D. Angel Usón, gestor la Comunidad de Regantes de Pina de Ebro y a la empresa Riegosalz, S.LLacasta Soto, A.; Morales-Hernández, M.; Tejero-Juste, M.; Burguete, J.; Brufau, P.; García-Navarro, P. (2015). Calibración y simulación de un sistema regulado de suministro de agua a través de técnicas de Monte Carlo. Ingeniería del Agua. 19(3):117-133. https://doi.org/10.4995/ia.2015.3350SWORD117133193Albertson, M. L., Dai, Y., Jensen, R. A., Rouse, H. (1950). Diffusion of submerged jets. Transactions of the American Society of Civil Engineers, 115(1), 639-664.Burguete, J., García-Navarro, P. (2004). Improving simple explicit methods for unsteady open channel and river flow. International Journal for Numerical Methods in Fluids 45, 125-156. doi:10.1002/fld.619Burguete, J., Calibrator, https://github.com/jburguete/calibrator.Ferro, V. (2000). Simultaneous flow over and under a gate. Journal of irrigation and drainage engineering, 126(3), 190-193. doi:10.1061/(ASCE)0733-9437(2000)126:3(190)García-Navarro, P., Brufau, P., Murillo, J., Zorraquino, C. (2003). Estudio hidráulico del riesgo de inundación en el meandro de Ranillas: Modelos de simulación numérica. Ingeniería del Agua, 10, 115-125.Habibzadeh, A., Vatankhah, A. R., Rajaratnam, N. (2011). Role of energy loss on discharge characteristics of sluice gates. Journal of Hydraulic engineering, 137(9), 1079-1084. doi:10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000406Henderson, F. M. (1996). Open channel flow. Macmillan. ISO 690 .Lozano, D., Mateos, L., Merkley, G. P., Clemmens, A. J. (2009). Field calibration of submerged sluice gates in irrigation canals. Journal of irrigation and drainage engineering, 135(6), 763-772. doi:10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0000085Lacasta, A., Morales-Hernández, M., Brufau, P., García-Navarro, P. (2014). A simulation based tool for PID control in canals: application to the Pina de Ebro irrigation community. En Proc. Cong. On Industrial & Agricultural Canals, septiembre 2-5, Lleida, España.Li, Y., Cantoni, M., Weyer, E. (2005). On water-level error propagation in controlled irrigation channels. En Proc. 44th IEEE Conf. on Decidion and Control, and the Europ. Control Conf., Diciembre 12-15, Sevilla, España.Lin, C., Yen, J., Tsai, C. (2002). Influence of Sluice Gate Contraction Coefficient on Distinguishing Condition. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 128(4), 249-252. doi:10.1061/(ASCE)0733-9437(2002)128:4(249)Morales-Hernández, M., García-Navarro, P., Burguete, J., Brufau, P. (2013a). A conservative strategy to couple 1D and 2D models for shallow water flow simulation. Computers & Fluids, 81, 26-44. doi:10.1016/j.compfluid.2013.04.001Morales-Hernández, M., Murillo, J., García-Navarro, P. (2013b). The formulation of internal boundary conditions in unsteady 2-D shallow water flows: application to flood regulation. Water Resources Research, 49(1), 471-487. doi:10.1002/wrcr.20062Pongput K., Merkley G. P., (1997). Comparison and calibration of canal gate automation algorithms. Journal of irrigation and drainage engineering, 123(3), 222-225. doi:10.1061/(ASCE)0733-9437(1997)123:3(222)Rajaratnam, N., Subramanya, K. (1967). Flow equation for the sluice gate. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 93(3), 167-186.Shamir, U., Howard, C. D. D. (1968). Water Distribution Systems Analysis, En Proc ASCE, Vol. 94, No. HY1, 219-234Skogerboe, G. V., Merkley, G. P. (1996). Irrigation maintenance and operations learning process. Water Resources Publication.Swamee, P. K. (1992). Sluice-gate discharge equations. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 118(1), 56-60. doi:10.1061/(ASCE)0733-9437(1992)118:1(56