Сильные дожди могут привести к переполнению рек и дренажных систем или разрушению плотин, что приведет к наводнениям, которые нанесут ущерб имуществу и дорожным системам, а также могут привести к гибели людей.
Одно такое событие в 2008 году обошлось всему штату Айова в 10 миллиардов долларов. После наводнения в Университете Айовы (UI) был создан Центр наводнений штата Айова (IFC) как первый в Соединенных Штатах центр передовых исследований и образования, связанных с наводнениями.
Сегодня упрощенные двухмерные модели паводков являются современным средством прогнозирования распространения паводковых волн или того, как паводки распространяются по суше. Группа IFC под руководством профессора UI Джорджа Константинеску создает трехмерные негидростатические модели паводков, которые могут более точно имитировать распространение волны паводка и учитывать взаимодействие между волной паводка и большими препятствиями, такими как плотины или стены поймы. Эти трехмерные модели также можно использовать для оценки и улучшения прогностических возможностей двухмерных моделей, которые государственные учреждения и консалтинговые компании используют для прогнозирования распространения наводнений и связанных с ними рисков и опасностей.
Используя один из самых мощных суперкомпьютеров в мире - Titan, Cray XK7 с производительностью 27 петафлопс в Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), - команда Константинеску выполнила одно из первых высокоразрешающих трехмерных объемных вычислений. -усредненное по Рейнольдсу моделирование Навье-Стокса (RANS) прорыва плотины в естественной среде. Моделирование позволило команде составить карту точных уровней воды для реальных наводнений с течением времени. RANS - широко используемый метод моделирования турбулентных течений.
«Моделирование наводнений, таких как прорывы плотин, может быть очень затратным в вычислительном отношении», - сказал Константинеску. «Раньше не было достаточно вычислительной мощности, чтобы выполнять такие точные по времени симуляции в больших вычислительных областях, но с мощью высокопроизводительных вычислений [HPC] и Titan мы достигаем большего, чем считалось возможным раньше».
Проект поддерживался в 2015 и 2016 годах в рамках Дискреционной пользовательской программы директора OLCF. OLCF, Центр научных исследований Министерства энергетики США (DOE), расположенный в Национальной лаборатории Министерства энергетики в Ок-Ридже, предоставляет ресурсы высокопроизводительных вычислений для проектов исследований и разработок, направленных на продвижение научных открытий.
Трехмерное моделирование группы показало, что широко используемые двухмерные модели могут неточно предсказывать некоторые аспекты наводнения, такие как время, в течение которого опасные уровни наводнения сохраняются в определенных местах, и площадь затопленной поверхности. Результаты моделирования также показали, что двумерные модели могут недооценивать скорость распространения паводков и завышать время, когда паводковые волны достигают наивысшей точки.
Когда источники воды, впадающие в реку, одновременно поднимаются, они могут вызвать одну или несколько последовательных волн паводка. Точность одномерных, двухмерных или трехмерных моделей наводнения, которые отслеживают движение этих волн, имеет решающее значение для прогнозирования максимальной глубины наводнения, опасных условий и других переменных.
«Нам нужно знать, что произойдет в случае прорыва плотины», - сказал Константинеску. «Нам нужно знать, кто пострадает, сколько времени у них будет на эвакуацию и что еще может произойти в результате с окружающей средой».
Поскольку двумерные модели делают упрощенные предположения о некоторых аспектах потока, они не могут учитывать изменения в потоке, например, когда паводковая волна огибает большие препятствия, быстро меняет направление или полностью погружается в воду. настилы моста. Команде требовался суперкомпьютер лидерского класса, чтобы выполнять трехмерное моделирование и точно фиксировать эти изменения.
Титан меняет течение
Используя полностью негидростатический 3-D решатель RANS, команда провела первое моделирование гипотетического разрушения двух плотин Айовы: плотины Коралвилль в Айова-Сити и плотины Сейлорвилль в Де-Мойне. Каждая из них использовала вычислительную сетку примерно из 30-50 миллионов ячеек и покрывала физическую область размером примерно 20 на 5 миль.
Команда использовала самое современное программное обеспечение для вычислительной гидродинамики STAR-CCM+. Это программное обеспечение использует метод объема жидкости для отслеживания положения свободной поверхности воды - областей, где вода встречается с воздухом. В ходе исследования масштабируемости команда определила максимальную производительность кода для моделирования прорыва плотины. Исследователи использовали 2500 процессоров Titan для достижения максимальной производительности в каждом моделировании.
Исследователи также рассчитали те же тесты на прорыв плотины, используя стандартную 2-D модель, обычно используемую IFC. Когда они сравнили результаты двухмерного моделирования с результатами трехмерного моделирования, они обнаружили, что двухмерная модель недооценила скорость распространения волны паводка по суше и переоценила время, в которое произошло максимальное наводнение. Этот вывод важен, поскольку правительственные учреждения и консалтинговые компании используют двухмерные модели мелководья для прогнозирования прорывов плотин и наводнений, а также для оценки опасности наводнений.
«Выполняя эти трехмерные симуляции, мы получили огромный набор данных, которые можно использовать для повышения точности существующих двухмерных и одномерных моделей паводков», - сказал Константинеску. «Мы также можем изучить эффективность развертывания сооружений защиты от наводнений для различных сценариев наводнений». В конечном итоге команда продемонстрировала, что HPC можно успешно использовать для решения инженерных вопросов, связанных с последствиями разрушения конструкций плотин и связанными с ними опасностями.
Константинеску сказал, что по мере того, как компьютеры станут быстрее и мощнее, станет возможным моделирование полных наводнений в более крупных физических регионах. Summit, суперкомпьютер нового поколения OLCF, запуск которого запланирован на 2018 год, откроет новые возможности для исследований Константинеску.
«Достижения в численных алгоритмах, автоматическая генерация сетки и увеличение мощности суперкомпьютера в конечном итоге сделают возможным моделирование паводковых волн в течение больших промежутков времени с использованием Titan, и тем более с Summit», - сказал Константинеску. «Со временем то, что раньше приходилось делать вручную, например создание высококачественной расчетной сетки, станет частью типичного программного пакета».