Hochleistungsrechnen im Wasserbau

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2 Gliederung Hochleistungsrechner-Architekturen Methoden im Hochleistungsrechnen Toolboxen und Programmsysteme für den Wasserbau Beispiele Zusammenfassung und Ausblick

3 Gliederung Hochleistungsrechner-Architekturen Methoden im Hochleistungsrechnen Toolboxen und Programmsysteme für den Wasserbau Beispiele Zusammenfassung und Ausblick

4 Architekturen Quasistandard für SIMD: OpenMP Quasistandard für MIMD: MPI, (PVM) Netzwerke: Myrinet, Ethernet -> Myricom 10 Gbits/s

5 TOP500 Architektur- und Leistungsentwicklung Nr. 1 Nov. 2006: 300 Teraflops (3x10 14 ) 2008/2009: > 1 Petaflops (10 15 ) Hinweis: Grid-Computing hier nicht geeignet

6 Aktuelle TOP500 Liste Nr. 1: 281 Teraflops (ca. 3x10 14 ), Prozessoren, 33 TB RAM Molekulardynamik, Geodynamik, Hydrodynamik,... Top5 - Deutschland Nr. 13: 37 Teraflops (ca. 4x10 13 ), Prozessoren, 4.1 TB RAM

7 Gliederung Hochleistungsrechner-Architekturen Methoden im Hochleistungsrechnen Toolboxen und Programmsysteme für den Wasserbau Beispiele Zusammenfassung und Ausblick

8 Methodeninteraktion parallele Methoden schnelle Löser HLR adaptive Methoden

9 Parallele Methoden algebraisches Parallelisierungskonzept MIMD MPI paralleles Matrix-Vektor Produkt

10 Parallele Methoden (dynamische) Lastverteilung Skalierung paralleler Speedup

11 Adaptive Methoden Verfeinerung, Vergröberung h-adaptiv heuristische Fehlerindikatoren, Fehlerestimatoren Konservativität

12 Adaptive Methoden Buckley-Leverett Problem Lang (2001) Paul (2003)

13 Schnelle Löser lineare Löser, > ca Unbekannte, O(n 1.5 ): Konjugierte-Gradienten (CG) Verfahren - symmetrisch: PCG - unsymmetrisch: BiCGSTAB, GMRES Vorkonditinierer

14 Schnelle Löser lineare Löser, > ca Unbekannte, O(n 1.0 ): Mehrgitterverfahren (MG) nicht-lineare Löser: Newton-Raphson Verfahren, Picard-Iteration

15 Parallele, lokal adaptive Mehrgitterverfahren Salzwasserausbreitung in komplexem Aquifer Grobgitter: Gebiete unterschiedlicher Permeabilität 8 Prozessoren 5 Gitterebenen dynamische Lastverteilung RKB Clustertiefe 1 Lang (2002)

16 Dynamische Lastverteilung bei parallelem, adaptivem MG Five-Spot Problem mit geostatistischem Permeabilitätsfeld Lang (2002)

17 Ein Literaturhinweis Wasserqualität Hinkelmann (2005)

18 Gliederung Hochleistungsrechner-Architekturen Methoden im Hochleistungsrechnen Toolboxen und Programmsysteme für den Wasserbau Beispiele Zusammenfassung und Ausblick

19 Toolboxen fürs HLR UG ScaLAPACK CHACO ParMETIS EXDASY COVISE Sumaa3D PADFEM TEMPLATES ftpnetlib2.cs.utk.edu...

20 HLR-Programmsysteme für den Wasserbau Flachwassergleichungen (parallel): Telemac noch nicht: Delft3D ( MIKE3 ( Navier-Stokes Löser (freie Oberfläche, parallel): NAST3DGP freeware STAR-CD Fluent SUNTANS freeware UNTRIM

21 Gliederung Hochleistungsrechner-Architekturen Methoden im Hochleistungsrechnen Toolboxen und Programmsysteme für den Wasserbau Beispiele Zusammenfassung und Ausblick

22 Modellierungssystem Telemac Strömungs- und Transportprozesse in Oberflächengewässern Hydrodynamik Stoff- und Wärmetransport Sedimenttransport Wasserqualität Wellen Pre- und Postprozessoren

23 Ostseeästuar Darß-Zingster Boddenkette

24 Verteiltes Gitternetz Hinkelmann, Zielke (1997)

25 Simulationsergebnisse der Kalibrierung Stückrad, Hinkelmann (1995)

26 Paralleler Speedup und Effizienz log2 sp [-] log2 ep [-] theoretisch fein grob grob fein log2 p Hinkelmann, Zielke (1997)

27 Modellierungssystem MUFTE-UG Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierung, Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart,, MUFTE Multiphase Flow, Transport and Energy Model Institut für Wissenschaftliches Rechnen, Universität Heidelberg UG Unstructured Grid

28 Modellierungssystem MUFTE-UG MUFTE Problembeschreibung konstitutive Beziehungen physikalisch-mathematische Modelle Diskretisierungsmethoden numerische Schemata Verfeinerungskriterien physikalische Interpretation UG Mehrgitter-Datenstrukturen lokale Netzverfeinerung Löser (Mehrgitter...) r, h, p- adaptive Methoden Parallelisierung Benutzer-Schnittstelle grafische Darstellung

29 Deiche

30 Systembeschreibung

31 Experiment ETH Zürich Hele-Shaw Modell, ETH Zürich Zone 2 Zone 1 Zone 3 24 cm Zone 4 96 cm Zone 1: Grobsand Zone 2: Feinsand (K 2 < K 1 ) Zone 3: Grobsand Zone 4: Kies (K 4 > K 1 )

32 Vergleich Experiment und Simulation Paul, Stauffer, Hinkelmann, Helmig (2000) Paul (2003)

33 Ergebnisse der adaptiven Simulation Paul, Stauffer, Hinkelmann, Helmig (2000) Paul (2003)

34 Paralleler Speedup auf Linux-Cluster theoretisch 2 LH Linux-Cluster Ölmann, Hinkelmann, Manthey, Lang, Helmig (2002)

35 # # - Forschergruppe 581 Großhang Kopplung von Strömungs- und Deformationsprozessen zur Modellierung von Großhangbewegungen Förderung: Partner: Deutsche Forschungsgemeinschaft - Institut für Geoökologie, Universität Potsdam - Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart - Institut für Mechanik, Universität Stuttgart - Institut für Geophysik, Universität Stuttgart - Institut für Wasserwirtschaft und Kulturtechnik, Universität Karlsruhe Modell Niederschlag + 2D Abfluss # Weir % Spring $ Meteorological Station & Borehole % $ 500m & # # # 1800m Ebnit River Heumöser Hang in Bewegung Modellkonzepte dry 4 wet geostatistisches Upscaling Laborexperimente

36 Studien zum Prozessverständnis - Makroporen Dirichlet RB: Sw = 1, p = patm + hw Dirichlet RB: Sw = 1, p = patm + hw Neumann RB: q = 0 K2 >> K1 K1 K2 naturnahes System ohne Makroporen Heumöser Hang Neumann RB: q = 0 Makroporen K2 >> K1 K1 K2 naturnahes System mit Makroporen Sättigungen Wasserphase Sw [-] nach 24 h Stadler, Pham Van, Hinkelmann (2006)

37 Studien zum Prozessverständnis - Makroporen Sättigungen Wasserphase Sw [-] nach 24 h Drücke Wasserphase Sw [-] nach 24 h Stadler, Pham Van, Hinkelmann (2006)

38 Gliederung Hochleistungsrechner-Architekturen Methoden im Hochleistungsrechnen Toolboxen und Programmsysteme für den Wasserbau Beispiele Zusammenfassung und Ausblick

39 Zusammenfassung und Ausblick Hochleistungsrechnen, d.h. das Zusammenwirken von parallelen und adaptiven Methoden mit schnellen Lösern auf unterschiedlichen Hochleistungsrechnerarchitekturen, ist recht weit entwickelt und im Wasserbau auf der Schwelle von Großforschungseinrichtungen in Universitätsinstitute und Ingenieurbüros. Es sind eine Reihe fertiger Programmsysteme verfügbar, ein kleiner Teil ist freeware. Für Eigenentwicklungen stehen eine Reihe von Toolboxen zur Verfügung. Zukünftige Einsatzfelder: hochaufgelöste Prozessmodellierung (z.b. Schussrinnen), Turbulenz, Morphodynamik, gekoppelte Modelle, Upscaling,...

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