Anwendung modernster Strömungsmechanik im Exa-Bereich
Die numerische Strömungsmechanik umfasst die Anwendung numerischer Analysen und Big Data zur Bewertung und Lösung von Problemen mit Flüssigkeitsströmungen. Sie ist für eine Vielzahl von Industriebereichen von entscheidender Bedeutung, z. B. für die Aerodynamik und die Luft- und Raumfahrtanalyse, die Wettersimulation und sogar für visuelle Effekte in Filmen und Spielen. Schnellere und leistungsfähigere Berechnungen numerischer Strömungsmechanik würden daher einer Reihe von Endnutzenden zugute kommen, da sie die Genauigkeit und die Geschwindigkeit von Computermodellen und Simulationen verbessern. Zu diesem Zweck wurde im Rahmen des Projekts SCALABLE, das von der CS GROUP in Frankreich koordiniert wurde, eine neue Klasse von Berechnungsmethoden entwickelt und getestet, um dieses Ziel zu erreichen.
Simulation hochkomplexer Flüssigkeitsströmungen
Dazu wandte das SCALABLE-Projektteam sogenannte Lattice-Boltzmann-Methoden an, ein Ansatz numerischer Strömungsmechanik, der nachweislich signifikant schneller als herkömmliche Ansätze numerischer Strömungsmechanik ist. Lattice-Boltzmann-Methoden sind numerische Verfahren, mit denen hochkomplexe Flüssigkeitsströmungen simuliert werden können. Ihre Stärke liegt in ihrer Fähigkeit, komplexe physikalische Phänomene – von Mehrphasenströmungen bis hin zu chemischen Wechselwirkungen – einfach darzustellen. Im Zusammenhang mit Hochleistungsrechnen bietet die Kombination von Lattice-Boltzmann-Methoden mit modernen Supercomputer-Architekturen ein enormes Potenzial. Ein wesentlicher Nachteil ist jedoch die Tatsache, dass Lattice-Boltzmann-Methoden im Vergleich zu anderen numerischen Methoden viel Energie verbrauchen. Dies hat ihre Anwendung im Bereich Hochleistungsrechnen eingeschränkt. Das Ziel von SCALABLE war es daher, einen Weg zu finden, Lattice-Boltzmann-Methoden im Kontext von Hochleistungsrechnen anzuwenden, um die Effizienz und Skalierbarkeit zu erreichen, die für die kommenden europäischen Computersysteme im Exa-Bereich benötigt werden.
Leistung, Skalierbarkeit, Effizienz
Das Projekt brachte eine Gruppe herausragender industrieller und akademischer Partner aus drei europäischen Ländern zusammen. Ziel war es, eine auf Lattice-Boltzmann-Methoden beruhende Software numerischer Strömungsmechanik zu entwickeln, die eine noch nie dagewesene Leistung, Skalierbarkeit und vor allem Energieeffizienz bietet. Das Projektteam nutzte den öffentlich zugänglichen Forschungscode waLBerla, der eine hervorragende Leistung und Skalierbarkeit bietet und derzeit auf einigen der größten Hochleistungsrechnen-Cluster der Welt ausgeführt wird. Bei dem Projekt kam auch die industrielle Software numerischer Strömungsmechanik ProLB (früher als LaBS bezeichnet) zum Einsatz. Diese Softwarelösung, die auf Lattice-Boltzmann-Methoden basiert, liefert genaue Aerodynamikmodelle, die im Ingenieurwesen helfen, frühzeitige Designentscheidungen zu treffen. Obwohl bereits ein hoher Reifegrad erreicht wurde, gibt es noch Raum für Leistungsverbesserungen.
Hochmoderne Modellierungstechnologie
Das SCALABLE-Team kombinierte die Vorteile dieser beiden bestehenden Tools numerischer Strömungsmechanik erfolgreich, um eine hochmoderne Modellierungstechnologie zu entwickeln, die auf das Rechnen im Exa-Bereich zugeschnitten ist. Auf diese Weise trug das Projekt auch dazu bei, Silos zwischen der Welt des wissenschaftlichen Rechnens und der Welt der physikalischen Strömungsmodellierung aufzubrechen. Der Software-Prototyp wurde in einer Reihe von Testfällen zur Konvektions- und Turbulenzmodellierung erprobt. Diese Simulationen sind von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung von Flugzeugtriebwerken, Windkraftanlagen und Kühlsystemen. Das Projektteam befasste sich auch speziell mit der Modellierung von Flugzeugfahrwerken. Dies war ein nützlicher Testfall, um die Präzision und die Leistung des Software-Prototyps für numerische Strömungsmechanik des Projekts zu bewerten. Die im Rahmen von SCALABLE erzielten Erfolge und Durchbrüche werden nun von den akademischen und industriellen Partnern des Projekts weiter ausgebaut. Das Projekt SCALABLE wurde mit Unterstützung des Gemeinsamen Unternehmens für europäisches Hochleistungsrechnen durchgeführt, einer Initiative, die zur Entwicklung eines Ökosystems für Hochleistungsrechnen von Weltrang in Europa gegründet wurde.
Schlüsselbegriffe
SCALABLE, Gemeinsames Unternehmen für europäisches Hochleistungsrechnen, Hochleistungsrechnen, Exa-Bereich, Strömungsmechanik, numerische Strömungsmechanik, Luft- und Raumfahrtindustrie, Automobilindustrie