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

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

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

Preprocess static subdomain decomposition in practical cases of 2D unsteady hydraulic simulation

17 Pags., 3 Tabls., 11 Figs. The definitive version is available at: http://www.sciencedirect.com/science/journal/00457930Explicit finite volume methods are frequently used and widely accepted in hydraulic models based on the shallow water approximation. The main drawback of the approach is the time step size limit imposed by the Courant–Friedrichs–Lewy numerical stability constraint. This leads to excessively long computational times in large scale cases of practical interest. At the same time, the accuracy of the numerical results is associated to the use of fine computational meshes able to achieve enough spatial resolution. Taking into account that hydraulic modelers do not have access, in general, to large computational facilities, suitable and useful parallelization techniques are required. Furthermore, if high performance computing facilities are used, it is usually necessary to provide an estimation of the requirements of computational load to cover the length of the simulation. In this work the suitability of a preprocess static subdomain decomposition is explored and presented as a promising strategy to improve the efficiency of 2D unsteady shallow water computational models over dry bed in medium scale computational facilities and, at the same time, is useful to provide a preprocess computational time estimation if large scale computational facilities are going to be used.Peer reviewe

SURCOS: A software tool to simulate irrigation and fertigation in isolated furrows and furrow networks

Pags.- 7 Tabls.- 15 Figs. The definitive version is available at: http://www.sciencedirect.com/science/journal/01681699A software tool useful for the numerical computation of surface irrigation and fertigation in furrows and furrow networks was developed. The model solves the complete one-dimensional St-Venant equations together with the transport equation of a passive solute. The flow equations and the solute advection are solved with a high resolution TVD explicit Eulerian scheme. The solute dispersion is solved with a centered implicit Eulerian scheme to avoid further restriction in the allowable time step. The computational speed of the model is high in isolated furrows. In cases of large furrow networks over extended irrigation times the model is slower but affordable computational speed is achieved. The computational model has been designed to be robust, intuitive and able to supply useful visual results. Both the executable and the source code, as well as the examples presented can be downloaded, edited and distributed under a BSD type license.Peer reviewe

SURCOS – A software to calculate irrigation and fertigation in isolated furrows and furrow networks

5 Files: 2 .pdf Files; 3 ZIP Files. Related publications: 1) Burguete J, Zapata N, García-Navarro P, Maïkaka M, Playán E, Murillo J. Fertigation in furrows and level furrow systems I: model description and numerical tests. ASCE Journal of the Irrigation and Drainage Engineering 135 (4): 413-420 (2009). http://digital.csic.es/handle/10261/24217 -------- 2) Burguete J, Lacasta A, García-Navarro P. SURCOS: A software tool to simulate irrigation and fertigation in isolated furrows and furrow networks. Computers and Electronics in Agriculture 103: 91–103 (2014). https://digital.csic.es/handle/10261/98644[EN] The program Surcos is designed to calculate and visualize irrigation and fertigation in isolated furrows and furrow networks. Here there are versions for Microsoft Windows. The latest source code, compilable on UNIX systems, and application examples can be downloaded at github.com:jburguete/surcos.git. They can be freely distributed under a BSD type license.[ES] El programa Surcos está diseñado para calcular y visualizar riego y fertirrigación en surcos aislados y redes de surcos. Aquí se distribuyen versiones para Microsoft Windows. El código fuente, compilable en sistemas UNIX, y los ejemplos de aplicación más recientes se pueden descargar en github.com:jburguete/surcos.git. Se distribuyen libremente con una licencia de tipo BSD.Peer reviewe

Calibration of the 1D shallow water equations: a comparison of Monte Carlo and gradient-based optimization methods

34 Pags.- 14 Figs.- 2 Algorithms. The definitive version is available at: http://jh.iwaponline.com/The calibration of parameters in complex systems usually requires a large computational effort. Moreover, it becomes harder to perform the calibration when non-linear systems underlie the physical process, and the direction to follow in order to optimize an objective function changes depending on the situation. In the context of shallow water equations (SWE), the calibration of parameters, such as the roughness coefficient or the gauge curve for the outlet boundary condition, is often required. In this work, the SWE are used to simulate an open channel flow with lateral gates. Due to the uncertainty in the mathematical modeling that these lateral discharges may introduce into the simulation, the work is focused on the calibration of discharge coefficients. Thus, the calibration is performed by two different approaches. On the one hand, a classical Monte Carlo method is used. On the other hand, the development and application of an adjoint formulation to evaluate the gradient is presented. This is then used in a gradient-based optimizer and is compared with the stochastic approach. The advantages and disadvantages are illustrated and discussed through different test cases.This research has been partially funded by the Spanish MINECO/FEDER through the Research Project CGL2015-66114-R and by Diputación General de Aragón, DGA, through FEDER funds. The first author was also supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness fellowship BES-2012-053691.Peer reviewe