OpenFOAM Einführungs- und Aufbaukurs

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Nadja Bayer
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1 OpenFOAM Einführungs- und Aufbaukurs Projektleiter: Albert Ruprecht Institut für Strömungsmechanik und Hydraulische Strömungsmaschinen (IHS) Universität Stuttgart

2 Inhalt 1 Motivation Kursinhalte und Programme Kursinhalte Einführungskurs Programm OpenFOAM Einführungskurs Kursinhalte Aufbaukurs (Vertiefung) Programm Open-FOAM Aufbaukurs (Vertiefung) Teilnehmer Teilnehmer Einführungskurs Teilnehmer Aufbaukurs Einsatz der genehmigten Mittel Zusammenfassung

3 1 Motivation Im Fachnetzwerk des ZfES beschäftigen sich mehrere Institute mit der Simulation von Strömungen. Dabei werden zwar unterschiedliche Anwendungen gemacht. Aber allen ist gemeinsam, dass es sich um sehr große und komplexe Simulationen handelt. Dazu steht mit den Rechnern des HLRS an der Universität die geeignete Hardware zur Verfügung, um solche Probleme lösen zu können. Da es sich bei den meisten Anwendungen hier um Forschungsprojekte handelt, müssen in der Regel gebräuchliche Simulationsmodelle angepasst und optimiert werden oder es müssen komplett neue Modelle entwickelt werden (z. B. neue Turbulenzmodelle für instabile drallbehaftete Strömungen, Modelle für Mehrphasenströmungen oder Modelle für komplexe Verbrennungsvorgänge). Diese Modelle müssen dann in einen numerischen Code geeignet implementiert werden. Für die Anwendung dieser Modelle auf komplexe praxisrelevante Probleme ist es dann notwendig, die Berechnungen massiv-parallel auf modernsten Rechnerarchitekturen durchführen zu können. Das setzt zum einen voraus, dass der numerische Code möglichst vollständig zugänglich ist, um eine effiziente Implementierung der Modelle zu ermöglichen. Zum anderen muss der Code für massiv-parallele Simulationen geeignet sein und auch genügend Lizenzen zur Verfügung stehen, was bei kommerziellen Programmen sehr teuer sein kann. An vielen Instituten ist man deshalb dazu übergegangen, den open-source Code OpenFOAM zu verwenden. Dieser Code bietet damit die Basis für zahlreiche Forschungsprojekte im ZfES-Fachnetzwerk. Da zahlreiche wissenschaftliche Mitarbeiter an unterschiedlichen Instituten OpenFOAM verwenden und sich demzufolge in das Programmsystem intensiv einarbeiten müssen, wurden zwei Kurse durchgeführt, um den notwendigen Einarbeitungsprozess möglichst effizient zu gestalten. Zunächst wurde ein Einführungskurs ohne notwendige Vorkenntnisse abgehalten. Darauf aufbauend wurde ein Vertiefungskurs mit den gemeinsam definierten Inhalten Mehr-Phasenströmung und Turbomaschinen durchgeführt. 2 Kursinhalte und Programme 2.1 Kursinhalte Einführungskurs Im ersten Einführungskurs wurden die Grundlagen für OpenFOAM besprochen. Dies sind: Genereller Aufbau und Arbeitsweise von OpenFOAM Modelle, die bereits in OpenFOAM enthalten sind, 3

4 Beschreibung der physikalischen Grundlagen dieser Modelle, Programmierung, Implementierung neuer Modelle, Durchführung von Berechnungen am HLRS, Praktische Anwendungen am Rechner. Das genaue Kursprogramm ist im folgenden Kapitel dargestellt. Zu den einzelnen Punkten wurden ausführliche Schulungsunterlagen erstellt, die auch weiterhin allen neuen Mitarbeitern des ZfES-Fachnetzwerks, die mit OpenFOAM arbeiten werden, zur Verfügung stehen. Dieser Kurs diente auch dazu, dass sich die mit OpenFOAM arbeitenden Mitarbeiter kennenlernen. Weiter sollte gezielt ein Erfahrungsaustausch in Form von künftigen Treffen und Workshops besprochen werden, um so eine Vernetzung der Aktivitäten zu erhalten, um daduch Synergien nutzen zu können. 2.2 Programm OpenFOAM Einführungskurs Das Programm des ersten Kurses ist im folgenden dargestellt: Montag, :30 12:00 Einführung in OpenFOAM (Buntic-Ogor) 13:30 15:00 Einführung in die Benutzung von OpenFOAM (Installation, Arbeitsumgebung, Gittergenerierung (Blockmesh), Auswertung, (Paraview)) (Buntic-Ogor) 15:00 17:00 Einführungsbeispiel am Rechner (Buntic-Ogor) Dienstag, :00 12:00 Einführung in OpenFOAM mit Beispielen (Fortsetzung) (Buntic-Ogor) 13:30 15:00 Einführung in OpenFOAM Code (Buntic-Ogor) 15:00 16:00 Einfaches Programmierbeispiel (Buntic-Ogor) 16:00 16:30 Überblick über numerische Algorithmen und Modelle in OpenFOAM (Buntic- Ogor) 16:30-17:00 Diskussion über numerische Algorithmen und Modelle Vergleich mit anderen Tools (Laurien, Buntic-Ogor, Ruprecht) Mittwoch, :30 10:00 Einführung in die Turbulenzmodellierung (Laurien) 10:00 12:30 Turbulenzmodelle in OpenFOAM (Buntic-Ogor) 14:00 16:30 Anwendungsbeispiel Turbulenzmodell (Buntic-Ogor) 16:30 17:00 Diskussion Turbulenzmodellierung (Laurien, Buntic-Ogor, Ruprecht) Donnerstag, :00 9:30 Einführung in HPC am HLRS (Große-Wöhrmann) 9:30 10:15 OpenFOAM auf der HazelHen (Einführung, Rechnen auf HazelHen, Module von OpenFOAM) (Schönherr) 4

5 10:15 11:30 Übungsbeispiel auf der HazelHen (Große-Wöhrmann, Schönherr) 11:30 12:00 OpenFOAM auf der HazelHen (Profiling, Solverentwicklung, Hints und Tricks) (Schönherr) 12:00 12:30 I/O-Probleme von OpenFOAM (Große-Wöhrmann) 14:00 15:00 Erfahrungen und Tricks zur Nutzung von OpenFOAM auf der HazelHen am Beispiel (Eisenschmid) 15:00 16:30 Numerische Modelle und Algorithmen in OpenFOAM (Fortsetzung) (Buntic- Ogor) 16:30 18:00 Rechner- und Programmierbeispiele (Buntic-Ogor) 18:30 -?? Gründung einer OpenFOAM User-Gruppe an der Uni Stuttgart mit kleinem Imbiss und Umtrunk Freitag, :00 10:30 Theorie zu 2-Phasensimulationen (Laurien) 11:00 11:30 OpenFOAM Extra Tools Übersicht (Buntic-Ogor) 11:30 13:00 2-Phasenmodelle in OpenFOAM (Buntic-Ogor) 14:00-15:30 Programmierbeispiele mit Diskussion (Buntic-Ogor) 15:30 16:30 Abschlussdiskussion 2.3 Kursinhalte Aufbaukurs (Vertiefung) In gemeinsamen Diskussionen während des ersten Kurses wurden die Inhalte für den zweiten Kurs festgelegt. Es wurden die beiden Schwerpunkte Mehr-Phasenströmung und Turbomaschinen festgelegt. Das Programm dieses Kurses ist im folgenden Kapitel dargestellt. 2.4 Programm Open-FOAM Aufbaukurs (Vertiefung) Das Programm des zweiten Kurses ist im folgenden dargestellt: Dienstag, :00 12:30 Einführung in OpenFOAM (Buntic-Ogor) 13:30 14:30 Einführung in die Benutzung von OpenFOAM (Installation, Arbeitsumgebung, Gittergenerierung (Blockmesh), Auswertung, (Paraview)) (Buntic-Ogor) 14:30 15:30 Einführungsbeispiel am Rechner (Buntic-Ogor) 15:30 17:00 Einführung in die Zwei-Phasen-Strömung (Laurien) Mittwoch :00 11:00 2-Phasenmodelle in OpenFOAM (Buntic-Ogor) 11:30 12:30 Theorie der 2-Phasenströmung (Laurien) 14:00 17:00 Beispiel 2-Phasenströmung am Rechner (Buntic-Ogor) 5

6 Donnerstag, :00 11:00 Programmieren in OpenFOAM an Beispielen (Buntic-Ogor) 11:30 12:30 Einführung in Turbomaschinenberechnung in OpenFOAM (Ruprecht, Buntic- Ogor) 14:00 16:30 Turbomaschinenbeispiele am Rechner (Buntic-Ogor) 16:30 17:00 Abschlussdiskussion 3 Teilnehmer 3.1 Teilnehmer Einführungskurs Referenten: Buntic, Ivana, ib-tccs Laurien, Eckhard, IKE Grosse-Wöhrmann, Bärbel, HLRS Eisenschmid, Ralph, OPTIMA pharma GmbH Schönherr, Mandes, CRAY Ruprecht, Albert, IHS Kursteilnehmer: Arnold, Matthias, SWE Molter, Christian, SWE Silber, Fabian, MPA Isaev, Alexander, IKE Weidmann, Peter, IMWF Chu, Xu, IKE Guski, Vinzenz, MPA Lelickens, Anna, ITV Berg, Anders, IGE Wack, Jonas, IHS Stadler, Christa, IHS Weidmann Max, IFK Garcia, Harold, IFK Schöpfer, Bernhard, IFK Görtz, Jan, IWS Junginger, Bernd, IHS. Abbildung 1 zeigt die Kursteilnehmer bei den Computerübungen im Rechnerraum des IHS. 6

7 Abb. 1: Kursteilnehmer bei den Computerübungen im Rechnerraum des IHS. 3.2 Teilnehmer Aufbaukurs Referenten: Buntic, Ivana, ib-tccs Laurien, Eckhard, IKE Ruprecht, Albert, IHS Teilnehmer: Christa Stadler, IHS Huiming Wang, HIS Julian Schelling, IHS Jan Görtz, IWS Peter Mössinger, Voith Philipp Conrad, Voith Eisenschmid. Ralph, OPTIMA pharma GmbH Marcel Beirow, IFK Bernhard Schopfer, IFK Bosen Wang, ITV Anna Lelickens, ITV Sanddeep Pandey, IKE 4 Einsatz der genehmigten Mittel Die im Rahmen dieses Projekts beantragten Mittel wurden eingesetzt für die Erstellung von detaillierten Schulungsunterlagen und für die Durchführung der beiden Kurse. 7

8 Die Schulungsunterlagen stehen auch künftig den ZfES-Fachnetzwerkinstituten zur Verfügung. Sie wurden auf die IHS-Homepage mit einem Passwort-geschützten Download bereitgestellt. 5 Zusammenfassung Im ZfES-Fachnetzwerk beschäftigen sich mehrere Institute mit Strömungssimulationen und verwenden dazu den Open-source-Code OpenFOAM. Um eine bessere Zusammenarbeit dieser FN-Institute zu erreichen, wurden zwei OpenFOAM-Kurse durchgeführt. Zunächst wurde ein 5-tägiger Einführungskurs ohne notwendige Vorkenntnisse abgehalten. Darauf aufbauend wurde ein 3-tägiger Vertiefungskurs zu den gemeinsam festgelegten Schwerpunkten Mehr-Phasenströmung und Turbomaschinen durchgeführt. Im Rahmen des Projekts wurden für beide Kurse detaillierte Schulungsunterlagen erstellt, die auch künftig den FN-Instituten zur Verfügung stehen (Passwortgeschützter Download). Um die künftige Zusammenarbeit zu erhalten und zu vertiefen, ist vorgesehen, in regelmäßigen Abständen User-Gruppen-Meetings und Workshops zu veranstalten, an denen ein Erfahrungsaustausch zwischen den einzelnen Instituten angestrebt wird. 8

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