Najważniejsze wiadomości - Spokojniejsze wody dzięki superkomputerom
Turbulencje stanowią poważne wyzwanie. Gdy strumień wody opływa obiekt o kształcie cylindrycznym, to w strumieniu tym tworzą się niewielkie zawirowania, które wywołują nacisk na cylinder, powodując wibracje zwane "wibracjami wywoływanymi przez zawirowania" ('Vortex-induced-vibration' VIV). Skutki VIV zależą od względnej laminarności lub turbulentności przepływu cieczy; Im większe turbulencje, tym większy wpływ wibracji wywoływanych przez zawirowania. Jednak naukowcy odkryli występowania VIV nawet we względnie spokojnych warunkach. Stopień laminarności lub turbulentności przepływu określany tzw. liczbą Reynoldsa (Re). Im wyższa wartość liczby Reynoldsa, tym większa turbulentność przepływu; niewielka wartość liczby Reynoldsa oznacza przepływ laminarny. Na przykład przepływ cieczy przez rurociąg ma zwykle przewidywalny, laminarny charakter, a wartość Re wynosi wówczas 2 000 lub mniej, podczas gdy turbulencje rozpoczynają się od wartości Re 3 000. Przy wartościach pośrednich występują stany przejściowe. W przypadku platform wiertniczych problem jest znacznie poważniejszy i dotyczy zarówno pionowych rur podwodnych, jak i rurociągów prowadzących do instalacji morskich: struktury te często narażone są na działanie potężnych i niszczycielskich turbulencji o wartości Re przekraczającej 100 000. Naukowcy pracujący w ramach projektu Badanie cylindrów pragnęli zdobyć wiedzę na temat wzajemnych oddziaływań pomiędzy obiektami o kształcie cylindrycznym a turbulencjami, pozwalającą ulepszyć projektowanie rurociągów, a co za tym idzie zminimalizować wibracje. By osiągnąć powyższy cel badacze postanowili przeanalizować zachowanie modelu turbulencji, porównując go z symulacją komputerową - zwaną "bezpośrednią symulacją numeryczną" ('direct numerical simulation' - DNS) - turbulencji, przy stosunkowo niskich wartościach Reynoldsa. To pozornie proste zadanie jest w rzeczywistości bardzo rozbudowane i skomplikowane. "Obliczeniowa dynamika płynów" ('computational fluid dynamics' - CFD) stanowi jedno z najbardziej złożonych zagadnień matematyczno-informatycznych. W dziedzinie tej powszechnie wykorzystuje się równania Navier-Stokesa, czyli zbiór formuł matematycznych, pozwalających dostosować prawa Newtona do dynamiki płynów. Równania te są bardzo złożone i nawet w przypadku stosunkowo niskich wartości Reynoldsa, gdy turbulencje są niewielkie, mogą powodować przekroczenie zdolności obliczeniowej najpotężniejszych superkomputerów. 'Próby zrozumienia zawirowań stanowią całkowicie nowe podejście w dziedzinie obliczeniowej dynamiki płynów. Zdobycie tej wiedzy wymaga uwzględnienia informacji na temat całościowego przepływu cieczy. Sprawia to, że obliczenia są bardzo kosztowne', zauważa Roel Verstappen, pracownik Instytutu Matematyki i Nauk Obliczeniowych na Uniwersytecie w Groningen ('Institute of Mathematics and Computing Science, University of Groningen'). Duża kosztowność (w ujęciu superkomputerowym) wynika z dużej złożoności zjawiska przepływu cieczy. 'Pragnąc opracować kompleksowe rozwiązanie w zakresie przepływu turbulentnego musimy uwzględnić zjawiska zachodzące na wielu skalach fizycznych. Niezbędne jest nie tylko rozwiązanie równań na poziomie obiektu cylindrycznego, ale także uwzględnienie bardzo niewielkich ruchów zachodzących na skalę 1 000 - 10 000 razy mniejszą niż średnica cylindra', tłumaczy Dr Verstappen. Dlatego zarówno modele, jak i metody modelowania są bardzo istotne. Rola inicjatywy DEISA Do przeprowadzenia badań prowadzonych w ramach projektu 'Cylinder' niezbędne było uzyskanie dostępu do bardzo wydajnych superkomputerów, pozwalających prowadzić symulacje bezpośrednie. Z tego względu o pomoc zwrócono się do twórców infrastruktury DEISA - "Rozproszona infrastruktura europejska do zastosowań superkomputerowych" . W ciągu pięciu lat, pod egidą dwóch projektów, uczestnicy inicjatywy DEISA połączyli w ramach wspólnej sieci najpotężniejsze europejskie superkomputery, a także stworzyli oprogramowanie ułatwiające naukowcom uzyskanie dostępu do ogromnej mocy obliczeniowej i korzystanie z niej. Opracowano ponadto usługi wspierające, gwarantujące badaczom możliwie najlepsze wykorzystanie dostępnych urządzeń. Zakres prowadzonych prac obejmował utworzenie "inicjatywy na rzecz obliczeń ekstremalnych DEISA" ('DEISA extreme computing initiative' - DECI), której rolą jest wspieranie najbardziej nowatorskich, europejskich badań naukowych za pośrednictwem najpotężniejszych zasobów komputerowych. Dzięki temu najbardziej wydajne zasoby komputerowe przeznaczane są dla celów badawczych, w których są najbardziej potrzebne. Badania nad turbulencjami, prowadzone przez uczestników projektu "Cylinder", stanowią tego doskonały przykład. W ramach projektu "Cylinder" zgromadzono naukowców z Uniwersytetu Technologicznego Katalonii, CTTC ('Universitat Politècnica de Catalunya') w Hiszpanii; Holenderskiego Instytutu Badań Morskich ('Maritime Research Institute Netherlands' - MARIN); oraz Instytutu Matematyki i Nauk Obliczeniowych na Uniwersytecie w Groningen ('Institute of Mathematics and Computing Science, University of Groningen') w Holandii, w celu przeprowadzenia bezpośrednich symulacji numerycznych turbulencji przy wartości Re wynoszącej 22 000, która jest stosunkowo niewielka, jednak mimo to wiąże się z wymagającymi obliczeniami. 'Na razie nie jest możliwe przeprowadzenie symulacji przy większych wartościach Re, gdyż liczba wymaganych obliczeń zmiennoprzecinkowych jest po prostu zbyt duża', mówi Dr Verstappen. Dzięki infrastrukturze DEISA Dr Verstappen i jego koledzy mogli przeprowadzić kompletne obliczenia, w wyniku których zaobserwowano dużą zgodność pomiędzy modelowaniem a DNS. Testy wymagały około 650 000 godzin obliczeniowych. 'Liczba ta wydaje się być duża, jednak w rzeczywistości nie jest', mówi Dr Verstappen. 'Bardziej złożony przepływ turbulentny wymagałby 10, 20 lub nawet 100 milionów godzin obliczeniowych. DEISA jest jedynym dostawcą zasobów obliczeniowych niezbędnych do zrealizowania badań podobnych do tych, jakie prowadziliśmy. Na poziomie krajowym trudno jest uzyskać dostęp do zasobów wynoszących około 1 milion godzin procesora (CPU), zwłaszcza co roku. Projekt Cylinder stał się możliwy dzięki inicjatywie DEISA', zauważa Dr Verstappen. Obliczenia wymagane przez projekt Cylinder zrealizowano w Centrum Superkomputerowym w Barcelonie ('Barcelona Supercomputer Centre'). Wykonano kilka przebiegów testowych, które zajęły około 50 000 godzin procesora (CPU). Następnie, w ramach głównych obliczeń, wykorzystano 600 000 godzin procesora. Kod programu został stworzony przez pracowników UPC - Barcelona TECH oraz Uniwersytetu w Groningen. Wizualizację oraz analizę danych przeprowadzono na komputerach lokalnych, co było możliwe dzięki nowoopracowanemu narzędziu, stworzonemu przez Grupę ds. Wizualizacji Naukowych oraz Grafiki Komputerowej na Uniwersytecie w Groningen ('Scientific Visualisation and Computer Graphics Group, University of Groningen'). Ostatecznym celem badań prowadzonych przez uczestników projektu "Cylinder", w oparciu o infrastrukturę DECI, jest ulepszenie projektowania morskich konstrukcji wiertniczych. Obecnie projektanci stawiają czoła wyzwaniom związanym z rurociągami podmorskimi oraz rurociągami na platformach wiertniczych poprzez przeprowadzanie eksperymentów bazujących na fizycznych modelach umieszczanych w zbiornikach wodnych. Po wywołaniu wibracji modelu, projektanci dokonują pomiaru skutków tych wibracji, a następnie, w oparciu o uzyskane wyniki, próbują obliczyć wymaganą wytrzymałość materiałów, z których następnie powstaną struktury cylindryczne. Jednak być może już niedługo prace uczestników projektu "Cylinder" umożliwią inżynierom korzystanie z symulacji matematycznych, w celu zgromadzenia niezbędnych danych, tym samym zapewniając oszczędność czasu i pieniędzy. Powyższe prace mogą również znaleźć zastosowanie w szeregu innych dziedzin. 'Wyniki projektu Cylinder', mówi Dr Verstappen, 'pozwalają nam opracować prostsze modele, które mogą być wykorzystywane w obliczeniach inżynierskich. Symulacje przepływu stanowią pierwszy krok na drodze do dokładnego symulowania wibracji pionowych rurociągów morskich, powodowanych przez zawirowania', dodaje Dr Verstappen. Projekt "Cylinder" zrealizowano w 2009 roku. W ramach kontynuacji prac, przy wsparciu ze strony Holenderskiej Platformy na rzecz Innowacji Morskich ('Dutch Maritime Innovation Platform' - MIP), uczestnicy projektu Cylinder opracowują uproszczone modele. Modele te zostaną następnie zbadane pod kątem największej dokładności. 'Uproszczone modele pozwolą projektantom wykorzystać lokalne infrastruktury komputerowe, służące do prowadzenia obliczeń równoległych, jako narzędzia wsparcia projektowania', zauważa Dr Verstappen. 'Zazwyczaj projektanci muszą przeprowadzać wielokrotne symulacje w fazie projektowania. Jednak dzięki pracom zrealizowanym w ramach projektu Cylinder oraz jego kontynuacji, projektanci będą mogli ograniczyć liczbę uruchomień symulacji, a także przeprowadzać je w oparciu o uproszczone infrastruktury obliczeniowe'. Projekt DEISA2 uzyskał wsparcie finansowe w wysokości 10,24 milionów euro (całkowity budżet projektu wyniósł 18,65 milionów euro) w ramach podprogramu "systemy gridowe e-nauki" ('e-Science grid infrastructures'), będącego częścią Siódmego Programu Ramowego UE. Użyteczne odnośniki: - "Rozproszona infrastruktura europejska do zastosowań superkomputerowych" - 'Distributed European infrastructure for supercomputing applications' - informacje na temat projektu DEISA2 w bazie danych CORDIS - program / projekty na temat e-Infrastruktur - projekt CYLINDER Odnośne publikacje: - "Łączenie superkomputerów w celu prowadzenia symulacji słońca, klimatu oraz organizmów ludzkich" - 'Linking supercomputers to simulate the sun, the climate and the human body' - "Wirus HIV na celowniku cuperkomputerów" - 'Supercomputers target HIV' - "Modele klimatyczne na wybiegu superkomputerów" - 'Climate models run supercomputer catwalk' - "Superkomputery mają swojego własnego superbohatera" - 'Supercomputing gets its own superhero' - Grid: nowy sposób prowadzenia badań naukowych" - 'Grid: a new way of doing science' - "Europejscy naukowcy badający syntezę uzyskują dostęp do najlepszych superkomputerów" - 'Europe's fusion researchers to tap into top supercomputing resources'