Одно такое событие в 2008 стоило $10 миллиардов в убытках за всю Айову. После наводнения Iowa Flood Center (IFC) в Университете Айовы (UI) был основан как первый центр в Соединенных Штатах для передового связанного с наводнением исследования и образования.
Сегодня, упрощенные 2-е модели наводнения – состояние для предсказания распространения волны наводнения, или как наводнения распространялись через землю. Команда в IFC, во главе с профессором UI Джорджем Констэнтинеску, создает 3D негидростатические модели наводнения, которые могут более точно моделировать распространение волны наводнения и составлять взаимодействие между волной наводнения и большими препятствиями, такими как стены поймы или дамбы. Эти 3D модели также могут использоваться, чтобы оценить и улучшить прогнозирующие возможности 2-х моделей, которые правительственные учреждения и консалтинговые компании используют для предсказания, как наводнения распространятся и связанные риски и опасности.
Используя один из самых мощных суперкомпьютеров в мире – Титана, 27-petaflop Cray XK7 на Средстве для Вычисления Лидерства Ок-Риджа (OLCF) – выступила команда Констэнтинеску, одно из первых высоко решенных, 3D, моделирований Reynolds-усредненного Navier-топит (RANS) объема жидкости дамбы прерывают окружающую среду. Моделирование позволило команде наносить на карту точный уровень воды для фактических событий наводнения со временем.
RANS – широко используемый метод для моделирования турбулентных течений.«События наводнения, как произведенные разрывами дамбы, могут быть в вычислительном отношении очень дорогими, чтобы моделировать», сказал Констэнтинеску. «Ранее, не было достаточной производительности компьютера, чтобы сделать эти виды точных временем моделирований в больших вычислительных областях, но с силой высокоэффективного вычисления [HPC] и Титана, мы достигаем больше, чем ранее считалось возможное».
Проект был поддержан в 2015 и 2016 в рамках Контролируемой пользовательской программы директора OLCF. OLCF, американский Офис Министерства энергетики (DOE) Научного Пользовательского Средства, расположенного в Окриджской национальной лаборатории САМКИ, обеспечивает ресурсы HPC для научно-исследовательских проектов продвинуть научное открытие.3D моделирования команды показали, что обычно используемые 2-е модели могут неточно предсказать некоторые аспекты наводнения, такие как время, за которое опасные уровни наводнения длятся в определенных местоположениях и сумме затопленной площади поверхности. Результаты моделирования также продемонстрировали, что 2-е модели могут недооценить скорость, на котором распространении наводнений и переоценивают время, в которое волны наводнения достигают своей самой высокой точки.
Когда водные источники, настолько пустые в речное повышение одновременно, они могут вызвать одну или несколько последовательных волн наводнения. Точность 1-D, 2-е, или 3D модели наводнения, которые отслеживают, как эти волны движение крайне важны для предсказания максимальной глубины наводнения, опасных условий и других переменных.«Мы должны знать то, что собирается произойти для ситуаций, в которых ломается дамба», сказал Констэнтинеску. «Мы должны знать, кто собирается быть затронутым, сколько времени они должны будут эвакуировать, и что еще могло бы произойти с окружающей средой в результате».
Поскольку 2-е модели делают упрощенные предположения о некоторых аспектах потока, они не могут составлять изменения в потоке, такой как тогда, когда волна наводнения перемещает большие препятствия, изменяется быстро в направлении, или полностью погружает настилы моста. Команде был нужен суперкомпьютер класса лидерства, чтобы управлять 3D моделированиями и точно захватить эти изменения.Титан изменяет токИспользуя полностью негидростатическое 3D решающее устройство RANS, команда выполнила первые моделирования гипотетической неудачи двух дамб Айовы: Дамба Коралвилля в Айова-Сити и Дамба Сейлорвилл в Де-Мойне.
Каждый использовал вычислительную сетку приблизительно 30-50 миллионов клеток и покрыл физическую область приблизительно 20 миль на 5 миль.Команда использовала современное вычислительное программное обеспечение STAR-CCM гидрогазодинамики +. Это программные функции метод объема жидкости, чтобы отследить положение свободной поверхности воды – области, где вода встречает воздух.
В исследовании масштабируемости команда определила пиковую производительность кодекса для моделирований разрыва дамбы. Исследователи использовали 2,500 из процессоров CPU Титана для пиковой производительности в каждом моделировании.Исследователи также вычислили те же самые прецеденты разрыва дамбы, используя стандартную 2-ю модель, обычно используемую IFC. Когда они сравнили 2-е результаты с теми из 3D моделирований, они нашли, что 2-я модель недооценила, как быстро волна наводнения продвигалась по земле и переоценила время, в которое произошло максимальное наводнение.
Это открытие важно, потому что правительственные учреждения и консалтинговые компании используют 2-е мелкие модели потока, чтобы предсказать разрывы дамбы и наводнения, а также оценить опасности наводнения.«Выполняя эти 3D моделирования, мы обеспечили огромный набор данных, который может использоваться, чтобы улучшить точность 2-х существующих и модели наводнения 1-D», сказал Констэнтинеску. «Мы можем также исследовать эффективность развертывания структур защиты от наводнений для различных сценариев наводнения». Команда в конечном счете показала, что HPC может использоваться успешно, чтобы ответить на технические вопросы, связанные с последствиями структурной неудачи дамб и связанных опасностей.
Констэнтинеску сказал, что, поскольку компьютеры становятся быстрее и более сильными, моделирования полных событий наводнения по более крупным физическим регионам будут возможны. Саммит, суперкомпьютер OLCF следующего поколения, который, как намечают, прибудет онлайн в 2018, раскопает новые возможности для исследования Констэнтинеску.
«Достижения в числовых алгоритмах, автоматическом поколении сетки и увеличенной суперпроизводительности компьютера в конечном счете сделают моделирования волн наводнения по большим продолжительностям времени возможным Титаном использования, и еще больше с Саммитом», сказал Констэнтинеску. «В конечном счете вещами, которые мы ранее должны были сделать вручную, такие как создание высококачественной вычислительной сетки, просто будет часть типичного пакета программ».