Одно такое событие в 2008 году стоило 10 млд дол ущерба всему штату Айова. По окончании наводнения был создан Центр по наводнениям в Айове (IFC) при Университете штата Айова (UI), что стал первым центром В Соединенных Штатах по передовым исследованиям и обучению, связанным с наводнениями.
на данный момент упрощенные двухмерные модели паводков являются последним достижением для прогнозирования распространения волн паводков или того, как наводнения распространяются по суше. Команда IFC под управлением профессор УИ Джорджа Константинеску формирует трехмерные негидростатические модели паводков, каковые смогут более совсем правильно моделировать распространение паводковых волн и учитывать сотрудничество между паводковыми волнами и большими препятствиями, такими как плотины или стены поймы. Эти трехмерные модели кроме этого будут употребляться для оценки и улучшения прогнозных возможностей двухмерных моделей, каковые государственные учреждения и консалтинговые компании используют для прогнозирования распространения наводнений и связанных с ними рисков и опасностей.Используя один из самых превосходных суперкомпьютеров в мире — Titan, Cray XK7 с производительностью 27 петафлопс на заводе Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) — команда Константинеску выполнила один из первых трехмерных вычислений Рейнольдса с высоким разрешением. -усредненные модели Навье-Стокса (RANS) прорыва плотины в естественной среде.
Моделирование дало команде нанести на карту верные уровни воды для настоящих событий наводнения с течением времени. RANS — обширно используемый метод моделирования турбулентных течений.«Наводнения, подобные тем, каковые позваны прорывом плотин, смогут быть очень дорогостоящими в вычислительном отношении для моделирования», — сказал Константинеску. «Раньше не хватало компьютерной мощности для чтобы рода симуляций с точностью до времени в огромных вычислительных областях, но с мощью высокопроизводительных вычислений [HPC] и Titan мы достигаем большего, чем считалось возможным».Проект поддерживался в 2015 и 2016 годах в рамках Дискреционной пользовательской программы Директора OLCF.
OLCF, офис научного учреждения Министерства энергетики США (DOE), расположенный в Национальной лаборатории DOE в Ок-Ридж, предоставляет ресурсы высокопроизводительных вычислений для исследовательских и умело-конструкторских проектов, направленных на продвижение научных открытий.Трехмерное моделирование, совершённое командой, показало, что как правило используемые двухмерные модели смогут неточно предсказывать кое-какие нюансы наводнения, такие как время, за что ужасные уровни наводнения сохраняются в определенных местах, и количество затопленной площади.
Результаты моделирования также показали, что двухмерные модели смогут недооценивать скорость распространения наводнений и переоценивать время, в то время, в то время, когда волны наводнений достигают собственной наивысшей точки.В то время, в то время, когда водные источники, впадающие в реку, поднимаются одновременно, они смогут позвать одну или пара последовательных волн наводнения. Точность одномерных, двухмерных или трехмерных моделей наводнения, каковые отслеживают перемещение этих волн, имеет серьёзное значение для прогнозирования громадной глубины наводнения, ужасных условий и других переменных.
«Нам нужно знать, что произойдёт при прорыва плотины», — сказал Константинеску. «Нам нужно знать, кто пострадает, сколько времени им потребуется на эвакуацию и что еще может произойти в следствии с окружающей средой».Вследствие того что двухмерные модели делают упрощенные предположения о некоторых качествах потока, они не смогут учесть трансформации потока, например, в то время, в то время, когда волна наводнения движется около огромных препятствий, не так долго осталось ждать меняет направление или полностью погружает настил моста.
Команде потребовался суперкомпьютер высшего класса, чтобы запустить трехмерное моделирование и совсем правильно зафиксировать эти трансформации.Титан меняет течениеИспользуя целиком и полностью негидростатический решатель 3-D RANS, команда выполнила первое моделирование гипотетического разрушения двух плотин в Айове: плотины Коралвилл в Айова-Сити и плотины Сейлорвилль в Де-Мойне.
В каждом из них употреблялась вычислительная сетка примерно из 30-50 миллионов ячеек и физическая площадь составляла примерно 20 на 5 миль.Команда использовала современное ПО для вычислительной гидродинамики STAR-CCM +. В этом программном обеспечении употребляется метод измерения количества жидкости для отслеживания положения свободной поверхности воды — областей, где вода видится с воздухом. В изучении масштабируемости команда узнала громадную производительность кода для моделирования прорыва плотины. Исследователи использовали 2500 процессоров ЦП Titan для достижения громадной производительности в каждом моделировании.
Исследователи также вычислили те же тестовые примеры прорыва плотины, используя стандартную двухмерную модель, как правило используемую IFC. В то время, в то время, когда они сравнили двухмерные результаты с результатами трехмерного моделирования, они осознали, что двухмерная модель недооценила скорость распространения волны наводнения по суше и переоценила время, в то время, в то время, когда произошло громадное наводнение. Этот вывод важен, по обстоятельству того, что правительственные агентства и консалтинговые компании используют двухмерные модели маленького потока для прогнозирования плотин и наводнений разрушений, и для оценки опасности наводнений.
«Сделав эти 3-D моделирования, мы предоставили огромный набор данных, что вероятно использовать для повышения точности существующих 2-D и 1-D моделей паводков», — сказал Константинеску. «Мы также можем изучить эффективность развертывания структур защиты от наводнений для различных сценариев наводнения». Команда в конечном итоге показала, что HPC вероятно удачно использовать для ответа на инженерные вопросы, каковые связаны с последствиями разрушения конструкций плотин и связанных с ними опасностей.
Константинеску объявил, что по мере того, как компьютеры станут стремительнее и превосходнее, станет возможным моделирование событий полного наводнения в более громадных физических регионах. Summit, суперкомпьютер нового поколения OLCF, что планируется ввести в эксплуатацию в 2018 году, откроет новые возможности для изучений Константинеску.
«Удачи в численных способах, автоматическом генерировании и увеличении мощности сетей суперкомпьютеров в конечном итоге сделают возможным моделирование волн паводков в течение больших периодов времени с применением Titan, и тем более с Summit», — сказал Константинеску. «В итоге, то, что нам раньше приходилось делать вручную, например, создание хорошей вычислительной сетки, станет легко частью простого программного пакета».