Hardware-effiziente, hochparallele Implementierungen von Lattice-Boltzmann-Verfahren für komplexe Geometrien
Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-74586
- Die Lattice-Boltzmann-Methoden haben sich als wichtige Verfahren zur
numerischen Strömungssimulation etabliert.
Insbesondere für parallele Simulationen von Strömungen in komplexen Geometrien
bieten sie einen relativ einfachen algorithmischen Ansatz.
Es existieren daher verschiedene Programmpakete, die auf den weltweit größten
HPC-Systemen eingesetzt werden.
Für diese Algorithmenklasse ist es daher essentiell auf die aktuellen und
zukünftigen Herausforderungen solcher Systeme hinsichtlich der
Skalierbarkeit aller Komponenten sowie der bestmöglichen Hardware- und
Energieeffizienz vorbereitet zu sein.
Die vorliegende Arbeit behandelt zwei wichtige Aspekte, welche die
SkalierbarkeitDie Lattice-Boltzmann-Methoden haben sich als wichtige Verfahren zur
numerischen Strömungssimulation etabliert.
Insbesondere für parallele Simulationen von Strömungen in komplexen Geometrien
bieten sie einen relativ einfachen algorithmischen Ansatz.
Es existieren daher verschiedene Programmpakete, die auf den weltweit größten
HPC-Systemen eingesetzt werden.
Für diese Algorithmenklasse ist es daher essentiell auf die aktuellen und
zukünftigen Herausforderungen solcher Systeme hinsichtlich der
Skalierbarkeit aller Komponenten sowie der bestmöglichen Hardware- und
Energieeffizienz vorbereitet zu sein.
Die vorliegende Arbeit behandelt zwei wichtige Aspekte, welche die
Skalierbarkeit und die parallele Performance Lattice-Boltzmann-basierter
Strömungslöser wesentlich beeinflussen: eine skalierbare und effiziente
Gebietszerlegung für die zugrunde liegende
Anwendung und eine hohe Rechenknoten-Performance.
In dieser Arbeit wird das ILBDC-Programmpaket genutzt, das seit vielen
Jahren für die Simulation von Strömungen durch komplexe Geometrien, wie
Festbettreaktoren, eingesetzt wird.
Die Repräsentation einer Simulationsgeometrie erfolgt innerhalb des
Strömungslösers des ILBDCs durch eine Adjazenzliste, in der die
Nachbarschaftsbeziehungen der einzelnen Fluidzellen gespeichert werden.
Für die Erzeugung der Adjazenzliste wird ein paralleler und skalierbarer
Algorithmus vorgestellt, der unabhängig von der Anzahl der zu erzeugenden
Teilgebiete arbeitet.
Die in dieser Arbeit erzielten Steigerungen hinsichtlich Performance und
Energieeffizienz lassen sich auch auf hochparallele Simulationen transferieren.
Zusammen mit der skalierbaren Gebietszerlegung steht somit ein hochperformanter
Strömungslöser für aktuelle und zukünftige HPC-Systeme zur Verfügung.…
- The lattice Boltzmann methods are established as an important approach in
computational fluid dynamics.
They provide a simple algorithmic procedure especially for parallel simulation
of flows in complex geometries.
Hence several different frameworks exist, which are used on the world largest
HPC systems.
For this class of algorithms it is therefore important to be prepared for
current and future challenges of such systems by the scalability of all
components and reaching the best possible hardware and energy efficiency.
This work covers two important aspects, which impact the scalability
and parallel performance of lattice Boltzmann based flow solvers: scalable and
efficientThe lattice Boltzmann methods are established as an important approach in
computational fluid dynamics.
They provide a simple algorithmic procedure especially for parallel simulation
of flows in complex geometries.
Hence several different frameworks exist, which are used on the world largest
HPC systems.
For this class of algorithms it is therefore important to be prepared for
current and future challenges of such systems by the scalability of all
components and reaching the best possible hardware and energy efficiency.
This work covers two important aspects, which impact the scalability
and parallel performance of lattice Boltzmann based flow solvers: scalable and
efficient domain decomposition for the underlying application and high single
node performance of the flow solver.
In this work the ILBDC package is used, which has been employed for several
years to simulate the flow through complex geometries, e.g. fixed bed
reactors.
The simulation geometry is represented inside the ILBDC flow solver as an
adjacency list, where the neighborhood information of the fluid nodes is stored.
For the generation of the adjacency list a parallel and scalable algorithm is
presented, which is independent of the number of subdomains which are to be
generated.
The increased performance and energy efficiency achieved in this work can be
transferred to highly parallel simulations.
Together with the scalable domain decomposition a highly performant fluid
solver for current and future HPC systems is available.…
Author: | Markus Wittmann |
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Persistent identifiers - URN: | urn:nbn:de:bvb:29-opus4-74586 |
Referee: | Gerhard Wellein |
Document Type: | Doctoral Thesis |
Language: | German |
Year of publication: | 2016 |
Date of online publication (Embargo Date): | 2016/08/31 |
Publishing Institution: | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) |
Granting institution: | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät |
Acceptance date of the thesis: | 2016/05/07 |
Release Date: | 2016/09/07 |
Tag: | HPC; domain decomposition; energy efficiency; lattice Boltzman method; performance modeling; performance optimization |
SWD-Keyword: | Hochleistungsrechnen; Leistungssteigerung; Energieeffizienz; Gitter-Boltzmann-Methode |
Institutes: | Technische Fakultät |
Dewey Decimal Classification: | 0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik |
open_access (DINI-Set): | open_access |
Licence (German): |