Simulation der instationären Strömung in einem Diffusionsofen mit Wärmestrahlung
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- Caroline Geier
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1 Simulation der instationären Strömung in einem Diffusionsofen mit Wärmestrahlung R. Kessler DLR-AS-CASE Simulation der instationären Strömung in einem Diffusionsofen mit Wärmestrahlung Slide 1 > HPC 2009 > Roland Kessler
2 Inhalt Motivation und physikalisches Problem DLR THETA-Code Parallelisierung Simulationsergebnisse Zusammenfassung und weitere Arbeiten Slide 2 > HPC 2009 > Roland Kesslerr
3 Motivation Problemstellung ergab sich aus einer Zusammenarbeit mit dem ISFH (Institut für Solarforschung, Hameln) Strömungssimulationen werden für die Forschungsarbeiten am ISFH bisher kaum eingestzt Optimierung der Dotierung von Siliziumwafern in einem Diffusionsofen Sind unsere Simulationswerkzeuge für diesen Herstellungsprozess geeignet? Wie verhält sich unser Simulationscode auf dem CASE-Cluster? Slide 3 > HPC 2009 > Roland Kesslerr
4 Diffusionsofen (1) Siliziumscheiben werden unter hoher Temperatur in einer Röhre aus Quarzglas umströmt. Die Wafer stehen quer zur Strömung in der horizontalen Röhre Der Luft wird Brom und Bor zugemischt Ziel ist ein möglichst gleichmäßiger Transport zur Oberfläche der Wafer Slide 4 > HPC 2009 > Roland Kesslerr
5 Diffusionsofen (2) Slide 5 > HPC 2009 > Roland Kesslerr
6 DLR THETA-Code Simulation von Strömungen mit kleiner Mach-Zahl (inkompressibel) auf unstruckturierten, hybriden Gittern variable Dichte f p, = f T,... THETA bedeutet Turbulent Heat Release Extension of TAU Peripherie und Datenstrukturen sind weitgehend identisch mit denen von TAU Algorithmen des Solvers sind für Strömungen bei kleinen Mach-Zahlen optimiert Slide 6 > HPC 2009 > Roland Kesslerr
7 Numerische Eigenschaften von THETA (1) Druckkorrekturverfahren (SIMPLE/Projektion) optimiert für Strömungen bei kleinen Mach-Zahlen Implizite Zeitdiskretisierung erforderlich für große Systeme skalarer Gleichungen Lösung der linearen Systeme mit GMRES, BCGSTAB oder Mehrgitter Gebietszerlegung effiziente Simulationen auf massiv parallelen Systemen User Defined Functions Zur Definition komplexer Rand- und Anfangsbedingungen Slide 7 > HPC 2009 > Roland Kesslerr
8 Numerische Eigenschaften von THETA (2) Lineares Gleichungssystem für jede Transportgleichung Ax = b Matrixfreie Formulierung, d.h. A wird nicht abgespeichert sondern Ax wird berechnet. Vorteile: - Speicherersparnis - Diskretisierung mit übernächsten Nachbarn ist möglich Nachteile: - Nicht alle Lösungsalgorithmen sind dafür geeignet (kein AMG) - Höhere Rechenzeit Slide 8 > HPC 2009 > Roland Kesslerr
9 Implementierte physikalische Modelle Modelle mit einer oder mehreren Transportgleichungen Turbulenz Verbrennung und Ruß (bis 60 skalare Transportgl.) Mehrphasenströmung Temperatur Mischung Modelle ohne zusätzliche Transportgleichungen Gasstrahlung, Wandstrahlung (Monte Carlo Methode) Verdampfung Slide 9 > HPC 2009 > Roland Kesslerr
10 Parallelisierungskonzept von THETA TAU-Gebietszerlegung Paralleler Code soll numerisch identisches Konvergenzverhalten haben TAU-Entwicklungen testen und übernehmen Slide 10 > HPC 2009 > Roland Kesslerr
11 Datenaustausch 4 verschiedene Kommunikationstypen: Zwischen Domains mit Wänden (für Strahlung) Globale Summen Lokale Summen (z.b. Randbedingungen) Zwischen benachbarten Domains Slide 11 > HPC 2009 > Roland Kesslerr
12 Datenaustausch Typische Anzahl von Kommunikationen pro Zeitschritt (15 Mio Punkte auf 512 Kernen) Send/Receive: Gobale/lokale Summen: Zeit für globale Kommunikation überwiegt Slide 12 > HPC 2009 > Roland Kesslerr
13 Cpu-Zeiten auf CASE-Cluster Slide 13 > HPC 2009 > Roland Kesslerr
14 Skalierung, 15 Mio Punkte Slide 14 > HPC 2009 > Roland Kesslerr
15 Simulationsergebnisse (1) Isotherm Beheizte Wände Slide 15 > HPC 2009 > Roland Kesslerr
16 Simulationsergebnisse (2) Quergeschwindigkeit zwischen den Wafern isotherm Beheizte Wände Slide 16 > HPC 2009 > Roland Kesslerr
17 Zusammenfassung THETA berechnet die Strömung einschließlich des Strahlungstransports effizient Die vorhandene Parallelisierung skaliert gut im Bereich bis zu 512 Prozessen Genauere Festlegung der thermischen Randbedingungen ist für bessere Vorhersagen notwendig Slide 17 > HPC 2009 > Roland Kesslerr
18 Weitere Arbeiten Genauere Analyse des Laufzeitverhaltens von THETA bei hoher Anzahl von Prozessen ist notwendig (vgl. HiCfd) Zusammenlegung einzelner Kommunikationsschritte Überlappung von globaler Kommunikation und Berechnung (non blocking allreduce) Weitere Entwicklungen von TAU testen und für THETA übernehmen Slide 18 > HPC 2009 > Roland Kesslerr
19 Ende Slide 19 > HPC 2009 > Roland Kesslerr
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