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Reportaje - La supercomputación calma aguas revueltas

Investigadores han utilizado una infraestructura de supercomputación desarrollada por un proyecto financiado por la Unión Europea para estudiar el efecto de las turbulencias sobre estructuras marítimas como oleoductos y plataformas de perforación. En último término, esto podría llevar a una mejora en el diseño de las plataformas que podría beneficiar al medio ambiente y aumentar la seguridad.

Economía digital

Las turbulencias pueden ser un gran problema. Cuando el agua fluye en torno a un cilindro genera pequeños vórtices en su estela. Estos vórtices ejercen una fuerza sobre el cilindro, produciendo unas vibraciones denominadas «vibraciones inducida por vórtices» (VIV). El impacto de las VIV depende de la turbulencia y la laminaridad relativas del fluido; cuanto mayor sea el grado de turbulencia, mayor será el impacto de las vibraciones inducidas por vórtices. Sin embargo, los investigadores han encontrado indicios de VIV incluso en condiciones de calma relativa. El nivel de flujo laminar o turbulento se cuantifica mediante una magnitud denominada número de Reynolds (Re). Cuanto mayor sea el número de Reynolds mayor será el flujo turbulento; un número de Reynolds bajo quiere decir que el flujo es laminar. Por ejemplo, los fluidos que circulan a través de una tubería fluyen típicamente de forma laminar, o suave, con un Re 2 000 o inferior. Las turbulencias comienzan por encima de Re 3 000, habiendo estados intermedios de transición. En las estructuras de las plataformas de perforación como conductos elevadores marinos y oleoductos hasta las plataformas petrolíferas en alta mar, este problema es mucho más significativo: a menudo, estas estructuras están expuestas a números de Reynolds superiores a Re 100 000, lo que genera una potente fuerza destructora. Los científicos del proyecto Estudio Cylinder pretendían obtener conocimientos suficientemente detallados sobre las turbulencias y la interacción con cilindros que les permitieran encontrar nuevas formas de diseñar oleoductos que minimizaran la aparición de vibraciones. Para ello, querían analizar el comportamiento de un modelo de turbulencias comparándolo directamente con una simulación por ordenador de las turbulencias -denominada «simulación numérica directa» (DNS)- con un número de Reynolds relativamente bajo. Puede sonar sencillo, pero es una tarea vasta y compleja. «La dinámica de fluidos computacional» (DFC) es uno de los problemas más complejos de las matemáticas y la informática. Este campo está dominado por las ecuaciones de Navier-Stokes, una serie de fórmulas que adaptan las leyes del movimiento de Newton a los fluidos. Estas ecuaciones son extremadamente complejas y los problemas pueden superar rápidamente la capacidad de los superordenadores más potentes, incluso cuando se trata de números de Reynolds relativamente bajos, que implican un grado comparativamente bajo de turbulencia. «El esfuerzo por comprender estos vórtices representa un nuevo enfoque en la DFC. Para ello, necesitamos incluir información sobre todo el campo de flujo. Esto hace que realizar los cálculos sea muy caro», señala Roel Verstappen, del Instituto de Matemáticas e Informática de la Universidad de Groningen. Es caro, en términos de supercomputación, porque el flujo de los fluidos es muy complejo. «Para obtener una solución completa de un flujo turbulento, hay que resolver todas las escalas físicas del flujo. Además de resolver las ecuaciones a la escala del propio cilindro, también hay movimientos muy pequeños que son entre 1 000 y 10 000 veces más pequeños que el diámetro del cilindro», explica el Dr. Verstappen. Por esta razón son tan importantes los modelos y los métodos de modelado. DEISA entra en escena El estudio Cylinder necesitaba acceder a superordenadores muy potentes para realizar simulaciones directas, así que pidieron ayuda a DEISA «Red Europea Distribuida para las Aplicaciones de Supercomputación» . A lo largo de cinco años y dos proyectos, DEISA ha conectado entre sí a través de una red los superordenadores más potentes de Europa y ha desarrollado software para facilitar a los investigadores el uso de la inmensa capacidad de computación proporcionada por DEISA. Asimismo, se desarrollaron servicios de apoyo que garantizasen que los investigadores usuarios pudieran sacar el máximo partido a la maquinaria disponible. Como parte de su trabajo, DEISA estableció la DECI («Iniciativa de computación extrema de DEISA») para proporcionar a los investigadores europeos de vanguardia los mejores recursos de computación. Así se garantiza que los recursos más potentes se destinen a la clase de investigación que mejor puede aprovecharlos. La investigación de las turbulencias realizada por el estudio Cylinder es un buen ejemplo. Cylinder reunió a científicos de la Universidad Politécnica de Cataluña, CTTC (España); el Instituto de Investigaciones Marítimas de los Países Bajos (MARIN); y el Instituto de Matemáticas e Informática de la Universidad de Groningen (Países Bajos), para realizar una simulación numérica directa de las turbulencias con un Re 22 000, que es relativamente bajo pero aún así un desafío computacional. «Las simulaciones DNS todavía no son factibles para números Re más altos debido simplemente a que el número de cálculos de coma flotante es demasiado grande», explica el Dr. Verstappen. Gracias DEISA, el Dr. Verstappen y sus colegas pudieron realizar todos los cálculos, los cuales mostraron una coincidencia muy buena entre el método de modelado y DNS. Las pruebas requirieron aproximadamente 650 000 horas de tiempo de computación. «Parece mucho, pero realmente no lo es», comenta el Dr. Verstappen. «Si hubiéramos considerado un flujo turbulento más completo, habríamos necesitado fácilmente 10, 20 o incluso 100 millones de horas. Para realizar el tipo de investigación que hemos estado haciendo, solo hay una fuente de recursos computacionales a la que recurrir, y es DEISA. A nivel nacional, es muy difícil conseguir 1 millón de horas de CPU, especialmente cada año. DEISA ha hecho posible el proyecto Cylinder», destaca. Los cálculos del proyecto Cylinder se realizaron en el Centro Nacional de Supercomputación de Barcelona. Se llevaron a cabo algunos ensayos de prueba, lo que requirió alrededor de 50 000 horas de CPU. Posteriormente, se invirtieron 600 000 horas en el cálculo principal. El código fue desarrollado en la Universidad Politécnica de Barcelona y la Universidad de Groningen. La visualización y el análisis de los datos se realizaron en máquinas locales, gracias a una nueva herramienta de visualización desarrollada por el Grupo de Visualización Científica y Gráficos por Ordenador de la Universidad de Groningen. En último término, la investigación de DECI realizada por el proyecto Cylinder pretende mejorar el diseño de las plataformas de perforación. Actualmente, los diseñadores se enfrentan al problema de las plataformas de perforación y los oleoductos submarinos realizando experimentos con maquetas en tanques de agua. Tras generar vibraciones en los modelos, miden los efectos y utilizan los resultados para intentar calcular la resistencia que deben tener los materiales de las estructuras cilíndricas. No obstante, el trabajo de Cylinder permitirá pronto a los ingenieros emplear simulaciones matemáticas en su lugar para reunir los datos que necesitan, ahorrando tiempo y dinero. Es más, el trabajo tendrá el potencial de ser aplicado en diversos campos. «Los resultados del proyecto Cylinder», señala el Dr. Verstappen, «nos están permitiendo desarrollar modelos más simples que pueden utilizarse en cálculos de aplicaciones de ingeniería. Esta simulación del flujo representa el primer paso hacia simulaciones numéricas precisas de las vibraciones inducidas por vórtices en los conductos elevadores marinos», añade. Cylinder se llevó a cabo en 2009. Como continuación, y con el apoyo de la Plataforma de Innovación Marítima de los Países Bajos (MIP), el grupo ha seguido intentando concebir varios modelos simplificados. Estos modelos se probarán para determinar cuál es el más preciso. «Estos modelos más simples permitirán a los diseñadores utilizar instalaciones locales de computación en paralelo para ayudarles con sus diseños», señala el Dr. Verstappen. «Por lo general, los diseñadores necesitan muchas sesiones de computación en la fase de diseño. Sin embargo, como resultado del trabajo de Cylinder y el proyecto de continuación, los diseñadores necesitarán menos sesiones, y también podrán realizar los cálculos con instalaciones de computación más sencillas». DEISA2 recibió una financiación de 10,24 millones de euros (siendo su presupuesto total de 18,65 millones de euros) a través del subprograma e-Science grid infrastructures («Infraestructuras de grid para ciencia electrónica») del Séptimo Programa Marco de la UE. Enlaces útiles: - DEISA - registro de datos del proyecto DEISA2 en CORDIS - proyectos/programas de infraestructuras electrónicas - estudio Cylinder Artículos relacionados: - Interconexión de superordenadores para simular el Sol, el clima y el cuerpo humano - Supercomputadores contra el VIH - Exhibición de modelos climáticos sobre la pasarela de la supercomputación - «El nuevo héroe de la supercomputación» - «La grid: una forma nueva de hacer ciencia» - Los investigadores europeos de la fusión nuclear utilizarán recursos de supercomputación de alto nivel