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Buch (Monographie) zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:hbz:467-10536
URL: http://dokumentix.ub.uni-siegen.de/opus/volltexte/2016/1053/


Parallel multi-scale simulations with octrees and coupled applications

Klimach, Harald

Originalveröffentlichung: (2016) Zugl.: Siegen : universi - Universitätsverlag Siegen, 2016. - ISBN 978-3-936533-82-8
pdf-Format:
Dokument 1.pdf (12.592 KB)

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Simulation , gekoppelte Anwendungen
Freie Schlagwörter (Englisch): Frameworks
Institut: (ohne Institutsbezeichnung)
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
GHBS-Notation: WBC = Systems Engineering. Simulation
Dokumentart: Buch (Monographie)
Schriftenreihe: Simulation techniques in Siegen - STS
Bandnummer: 1
Sprache: Englisch
Erstellungsjahr: 2016
Publikationsdatum: 07.11.2016
Bemerkung: Zugl.: Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016
urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-073855
Kurzfassung auf Englisch: Physical simulations often require the consideration of many phenomena
and scales. For example in aeroacoustic problems, both, the flow generating
the noise and the sound wave propagation needs to be considered. This work
investigates numerical approaches to such problems on large distributed and
parallel computing systems. The coupling framework KOP is parallelized
as far as possible and to overcome fundamental scalability limits a new
framework APES is developed. Both implementations utilize high-order
discretizations, as these allow for accurate simulations with less degrees of
freedoms than lower order methods. This property of high-order methods
is an important feature for modern supercomputing systems, as memory
to represent degrees of freedom in a simulation is a scarce resource. The
presented methods enable the transient simulation of multi-scale setups but
detailed resolutions still require large amounts of computational resources.
A focus is put on the efficient utilization of modern computing systems
to address this need. Besides the scalability of the implementations, the
importance of single core optimization and vectorization is illustrated.
KOP uses discrete points to realize the coupling and allows for the interaction
between domains with differing discretizations and solved equation
systems. Arbitrary mesh configurations are supported and both, structured
and unstructured mesh solvers are available in the framework. In both framworks
explicit time integration methods are deployed to resolve the time
dependent simulations. The coupling allows for a varying time step width
over the participating domains by a sub-cycling method. Various conservation
laws can be solved by the presented frameworks ranging from Maxwell’s
equations and linearized Euler equations to full compressible Navier-Stokes
equations. A fully distributed coupling approach is developed that allows
for coupling of those in a large-scale simulation to solve, for example, aeroacoustic problems.
APES enables high-order discretizations in the spectral regime. It involves
a fully scalable toolchain for mesh-based simulations featuring a mesh
generation and a post-processing tool to support the solvers. The common
foundation of these tools is an Octree representation for the mesh, and
this work specifically covers the generation of high-order geometry approximations in the developed mesh generator Seeder. This robust mechanism works for arbitrarily complex surfaces and offers a practical way to tackle
engineering tasks with spectral element discretizations.
Kurzfassung auf Deutsch: Simulationen physikalischer Gegebenheiten müssen oft das Zusammenspiel
vieler Phänomene und Skalen berücksichtigen. Bei aeroakustischen Problemen
zum Beispiel, muss beides berücksichtigt werden, sowohl die Strömung,
die den Lärm erzeugt, als auch der Transport der Schallwellen. In dieser Arbeit
werden numerische Ansätze für solche Probleme auf großen, verteilt parallelen
Rechensystemen untersucht. Das Kopplungsframework KOP wird,
soweit wie möglich, parallelisiert und ein neues Framework (APES) wird
entwickelt um fundamentale Beschränkungen der Skalierbarkeit zu überwinden.
In beiden Implementierungen werden Verfahren hoher Ordnung
eingesetzt, da diese eine hochauflösende Simulation mit weniger Freiheitsgraden
ermöglichen, als Verfahren niedrigerer Ordnung. Diese Eigenschaft von Verfahren hoher Ordnung ist ein wichtiger Vorteil auf modernen Supercomputersystemen, da der Speicher, der benötigt wird um die Freiheitsgrade abzubilden eine knappe Ressource darstellt. Die vorgestellten Methoden ermöglichen die transiente Simulation von Mehrskalenproblemen, allerdings werden für detaillierte Simulationen noch immer große Mengen an Rechenressourcen benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit wird deshalb ein Fokus auf
die effiziente Nutzung moderner Rechensysteme gelegt.
KOP verwendet diskrete Punkte um die Kopplung zu realisieren. Dies
erlaubt die Interaktion zwischen Gebieten mit unterschiedlicher Diskretisierung
aber auch verschiedenen Gleichungen. Beide Implementierungen
verwenden eine explizite Zeitintegration um die zeitabhängigen Simulationen
aufzulösen. Das Kopplungsframework erlaubt von Gebiet zu Gebiet
variierende Zeitschritte. Diverse Erhaltungsgleichungen, von linearisierten
Euler Gleichungen und den Maxwell Gleichung, bis hin zu den Navier-Stokes
Gleichungen, können mit den vorgestellten Verfahren gelöst werden. Ein
vollständig verteilter Kopplungsmechanismus wird im Rahmen der Arbeit
entwickelt, der es ermöglicht, diese Gleichungen in großen Simulationen
gekoppelt zu verwenden.
APES erlaubt die Verwendung spektraler Diskretisierungen. Dazu bringt
es eine eigene Toolchain mit, die eine skalierbare Ausführung der gesamten
Simulation sicherstellt. Insbesondere, umfasst dies auch einen Gittergenerator,
der Geometrien mit Polynomen hoher Ordnung darstellen kann. Das
robuste Verfahren, das hier zum Einsatz kommt ermöglicht es, ingenieurtechnische
Fragestellungen auch mit solchen Verfahren hoher Ordnung in Angriff
zu nehmen.
Lizenz: Veröffentlichtungsvertrag