Turbulent Flow Simulations at the Exascale: Application to Wind Energy and Green Aviation

百亿亿级湍流模拟:在风能和绿色航空中的应用

基本信息

  • 批准号:
    EP/V000942/1
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 32.41万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Research Grant
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2020 至 无数据
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Our daily life is surrounded - and even is sustained - by the flow of fluids. Blood moves through thevessels in our bodies, and air flows into our lungs. Fluid flows disperse particulate air pollution in the turbulent urban as well as indoor environments. Fluid flows play a crucial role for our transportation and our industries. Our vehicles move through air and water powered by other fluids that mix in the combustion chambers of engines. Many of the environmental and energy-related issues we face today cannot possibly be tackled without a better understanding of the dynamics of fluids.From a practical point of view, fluid flows relevant to scientists and engineers are turbulent ones; turbulence is the rule, not the exception. To date, a complete theory of fluid flow phenomena is still missing because of the complexity of the full equations describing the motion of a fluid.Their understanding and control is however crucial to improve technologies especially with minimal ecological impact as well as to anticipate events, in many areas ranging from engineering applications(e.g., industrial process, propulsion and power generation, car and aircraft design) to environmental sciences and technologies (e.g., air quality, weather forecasting, climate predictions, flood disasters monitoring).Significant progress has been made recently using petascale computing, and computational fluid dynamics is now a critical complement to experiments and theories. Turbulent flow simulations at the exascale will require significant reformulation of existing flow solvers, implementation of new physics, and development of a more nuanced problem formulation. It has however the potential to produce significant advances in our quest towards a greener future, relying in large parts on a better understanding of the overarching subject of turbulence.To better understand the opportunities and the challenges that will come with exascale computing for turbulent flows, we propose to create a Design and Development Working Group (DDWG) dedicated to turbulent flow simulations at the exascale, a high priority area of research for the UK. The focus will be on wind energy and green aviation applications as exascale computing will be a game changer in these areas and will contribute to make the UK a greener nation. This DDWG is building upon the experience and expertise of the UK Turbulence Consortium (UKTC) members and the recently funded Collaborative Computational Project (CCP) Turbulence. Two state-of-the-art open source flow solvers,OpenSBLI and Incompact3d, are currently being designed in the UK for pre-exascale and exascale systems using a high-level abstraction framework called OPS, an API with associated libraries and pre-processors to generate parallel executables for applications on multi-block structured meshes. The final output of this DDWG will be the delivery of a report with a strategic research agenda that will clearly articulate the research challenges to be overcome, opportunities, key risks and mitigation for turbulence simulations at the exascale. It will set out a detailed approach to enable development of CFD exascale-ready software through appropriate application-oriented, high-level programming abstractions, with proof-of-concept studies to demonstrate the capabilities of OpenSBLI and Incompact3d for exascale computing.
我们的日常生活被流体的流动所包围,甚至是持续的。血液在我们体内的血管中流动,空气流入我们的肺部。流体流动分散湍流城市以及室内环境中的颗粒空气污染。流体流动对我们的运输和工业起着至关重要的作用。我们的车辆通过空气和水移动,由发动机燃烧室中混合的其他流体提供动力。如果不更好地理解流体动力学,我们今天面临的许多环境和能源相关问题就不可能得到解决。从实际的角度来看,与科学家和工程师相关的流体流动是湍流;湍流是规则,而不是例外。迄今为止,由于描述流体运动的完整方程的复杂性,流体流动现象的完整理论仍然缺失。然而,对它们的理解和控制对于改进技术,特别是最小生态影响以及预测事件至关重要,在许多领域,从工程应用(例如,工业过程、推进和发电、汽车和飞机设计)到环境科学和技术(例如,空气质量、天气预报、气候预测、洪水灾害监测)。最近,使用千万亿次计算取得了重大进展,计算流体动力学现在是实验和理论的重要补充。在exascale湍流模拟将需要显着的重新制定现有的流动求解器,实施新的物理,并制定一个更细致入微的问题。然而,它有可能在我们追求更绿色的未来方面取得重大进展,这在很大程度上取决于对湍流这一首要主题的更好理解。为了更好地理解湍流的艾级计算带来的机遇和挑战,我们建议创建一个设计和开发工作组(DDWG),致力于艾级湍流模拟,英国的一个高度优先研究领域。重点将放在风能和绿色航空应用上,因为亿兆级计算将改变这些领域的游戏规则,并将为使英国成为一个更加绿色的国家做出贡献。这个DDWG是建立在英国湍流联盟(UKTC)成员和最近资助的合作计算项目(CCP)湍流的经验和专业知识。两个国家的最先进的开源流量求解器,OpenSBLI和Incompact 3d,目前正在设计在英国的pre-exascale和exascale系统使用一个高层次的抽象框架,称为OPS,一个API与相关的库和预处理器,以生成并行可执行程序的应用程序上的多块结构网格。该DDWG的最终成果将是一份带有战略研究议程的报告,该议程将清楚地阐明在艾级湍流模拟中需要克服的研究挑战、机遇、主要风险和缓解措施。它将提出一个详细的方法,通过适当的面向应用程序的高级编程抽象来开发CFD exascale就绪软件,并通过概念验证研究来证明OpenSBLI和Incompact 3d的exascale计算能力。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
A Cartesian Immersed Boundary Method Based on 1D Flow Reconstructions for High-Fidelity Simulations of Incompressible Turbulent Flows Around Moving Objects
  • DOI:
    10.1007/s10494-022-00364-4
  • 发表时间:
    2022-09
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    A. E. Giannenas;Nikolaos Bempedelis;F. Schuch;S. Laizet
  • 通讯作者:
    A. E. Giannenas;Nikolaos Bempedelis;F. Schuch;S. Laizet
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  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 作者:
    Bempedelis N
  • 通讯作者:
    Bempedelis N
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  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
  • 影响因子:
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  • 作者:
    N. Bempedelis;S. Laizet;G. Deskos
  • 通讯作者:
    N. Bempedelis;S. Laizet;G. Deskos
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
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  • 作者:
    Steiros K.
  • 通讯作者:
    Steiros K.
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知道了