FDS: Numerische Optimierungund Kooperationen• Porträt der FDS-Usergroup• Optimierte Parallelisierungskonzepte    für den F...
Inhalt• Porträt der deutschsprachigen FDS-Usergroup  - Zielsetzungen  - Aktivitäten  - Kooperationen• Optimierte Paralleli...
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Porträt der deutschsprachigen FDS-Usergroup:Zielsetzungen• Aufbau eines internationalen Kontakt- und Kooperationsnetzwerks...
Porträt der deutschsprachigen FDS-Usergroup:Aktivitäten• Durchführung regelmäßiger Treffen:  - bislang vier große Anwender...
Porträt der deutschsprachigen FDS-Usergroup:Kooperationen• Vernetzung der Mitglieder untereinander:  - Austausch bzgl. gem...
Inhalt• Porträt der deutschsprachigen FDS-Usergroup  - Zielsetzungen  - Aktivitäten  - Kooperationen• Optimierte Paralleli...
Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Motivation und ProblembeschreibungFragen:• Warum ist der FDS-Drucklöser so wichtig...
Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Motivation und Problembeschreibung FDS-Druckgleichung: Elliptische partielle Diffe...
Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Motivation und Problembeschreibung2D-Pipe mit neuer Rand-Information von links:   ...
Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Motivation und Problembeschreibung2D-Pipe mit Rand-Information von links:         ...
Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Diskretisierung in FDSBeispiel: Single-Mesh-Fall:              globale FFT        ...
Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Diskretisierung in FDSBeispiel: Gebietszerlegung in 4 Meshes:                     ...
Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Standard FFT-DrucklöserBeispiel: Gebietszerlegung in 4 Meshes:                    ...
Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Standard FFT-Drucklöser1. Zyklus der lokalen FFT-Löser:                           ...
Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Standard FFT-Drucklöser2. Zyklus der lokalen FFT-Löser:                           ...
Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Standard FFT-Drucklöser3. Zyklus der lokalen FFT-Löser:                           ...
Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Standard FFT-Drucklöser4. Zyklus der lokalen FFT-Löser:                           ...
Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Standard FFT-DrucklöserVorteile:• effizient, robust und sehr performant im Single-...
Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:FDS-Drucklöser - FFT-Iterationsschema (FFTI)                                      ...
Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:FDS-Drucklöser FFT-Iterationsschema (FFTI)Vorteile:• häufig geringere Abweichungen...
Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:   FDS-Drucklöser: Scalable Recursive Clustering (ScaRC)                          ...
Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Scalable Recursive Clustering (ScaRC)Vorteile:• deutliche Verbesserungen bzgl.  - ...
Inhalt• Porträt der deutschsprachigen FDS-Usergroup  - Zielsetzungen  - Aktivitäten  - Kooperationen• Optimierte Paralleli...
Numerische Testreihen:Vergleich von FFT(I) versus ScaRC• FFT : Standard Multi-Mesh FFT-Löser (lokale Kommunikation)       ...
Numerische Testreihen:Vergleich von FFT(I) versus ScaRCFragen:• Wie konsistent sind die Multi-Mesh-Varianten zum Single-Me...
Numerische Testreihen:Durchströmung eines 2D-Kanals   •   Unterteilung in N = 2, 4, 8 und 16 Teilgebiete   •   Berechnung ...
Numerische Testreihen:Durchströmung eines 2D-KanalsAnalytische Lösung:Analytische Druckdifferenz für konstante Einströmung...
Numerische Testreihen:Durchströmung eines 2D-Kanals, Standard-FFT                                                         ...
Numerische Testreihen:                                                                                     -1Durchströmung...
Numerische Testreihen:                                                                                 -2Durchströmung ein...
Numerische Testreihen:                                                                                   -3Durchströmung e...
Numerische Testreihen:                                                                                  -4Durchströmung ei...
Numerische Testreihen:Durchströmung eines 2D-Kanals, ScaRC                                              volle Konsistenz  ...
Numerische Testreihen:Einströmung in einen 3D-Kubus Einströmung von links, unten, vorne        Velocity-Slice durch Gebiet...
Numerische Testreihen:Einströmung in einen 3D-Kubus 64 Meshes (4x4x4)                128 Meshes (8x4x4)                   ...
Numerische Testreihen:Einströmung in einen 3D-Kubus, Standard-FFT                                           die Multi-Mesh...
Numerische Testreihen:Einströmung in einen 3D-Kubus, Standard-FFT                                              nur sehr mä...
Numerische Testreihen:                                                                               -1Einströmung in eine...
Numerische Testreihen:                                                                              -2Einströmung in einen...
Numerische Testreihen:                                                                               -3Einströmung in eine...
Numerische Testreihen:                                                                               -4Einströmung in eine...
Numerische Testreihen:Einströmung in einen 3D-Kubus, ScaRC                                          nahezu vollständige   ...
Inhalt• Porträt der deutschsprachigen FDS-Usergroup  - Zielsetzungen  - Aktivitäten  - Kooperationen• Optimierte Paralleli...
Bewertung und Ausblick:Vor- und Nachteile FFT(I)•   Single-Mesh-FFT:    - bildet realen physikalischen Verlauf im 1-D Prob...
Bewertung und Ausblick:Vorteile von ScaRC•   liefert deutlich verbesserte Genauigkeit und Skalierbarkeit auf hohe    Mesha...
Bewertung und Ausblick:Bisherige Nachteile von ScaRC•   bisher noch nicht Laufzeit-optimiert•   aktuell noch um Faktor 2 b...
Bewertung und Ausblick:Aktuelle und geplante Arbeiten• umfangreiche Konsistenzchecks in den umliegenden Routinen in Kooper...
Bewertung und Ausblick:FDS in the Cloud• Mit der Implementation von ScaRC in FDS6 wird es möglich, numerische  Simulatione...
Bewertung und Ausblick:FDS in the Cloud                    Beispiel: automatisierte Kontrolle• Das Rechnen auf entfernten ...
Kontaktinformationenhhpberlin Ingenieure für Brandschutz GmbHRotherstraße 19               Geschäftsführer:10245 Berlin   ...
Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Scalable Recursive Clustering (ScaRC)Verwendung (lokal) adaptiver Gitterverfeineru...
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FDS: Numerische Optimierung und Kooperation

  1. 1. FDS: Numerische Optimierungund Kooperationen• Porträt der FDS-Usergroup• Optimierte Parallelisierungskonzepte für den FDS-Drucklöser• Zukunft der parallelen AnwendungDr.-Ing. Christoph KlinzmannDr. rer. nat. Susanne Kilianhhpberlin Ingenieure für Brandschutz GmbH 1
  2. 2. Inhalt• Porträt der deutschsprachigen FDS-Usergroup - Zielsetzungen - Aktivitäten - Kooperationen• Optimierte Parallelisierungskonzepte für den FDS-Drucklöser - Motivation und Problembeschreibung - FFT versus ScaRC• Numerische Vergleichsrechnungen - Durchströmung eines 2D-Kanals - Einströmung in einen 3D-Kubus• Bewertung und Ausblick - Diskussion der Testreihen - Zukunft der parallelen Anwendung: FDS in the Cloud
  3. 3. Inhalt• Porträt der deutschsprachigen FDS-Usergroup - Zielsetzungen - Aktivitäten - Kooperationen• Optimierte Parallelisierungskonzepte für den FDS-Drucklöser - Motivation und Problembeschreibung - FFT versus ScaRC• Numerische Vergleichsrechnungen - Durchströmung eines 2D-Kanals - Einströmung in einen 3D-Kubus• Bewertung und Ausblick - Diskussion der Testreihen - FDS in the Cloud
  4. 4. Porträt der deutschsprachigen FDS-Usergroup:Zielsetzungen• Aufbau eines internationalen Kontakt- und Kooperationsnetzwerks: - Austausch von Informationen, Erfahrungen und Fragen• Koordination der FDS-Aktivitäten im deutschsprachigen Raum: - gemeinsame Identifikation des weiteren Forschungsbedarfs• Regelmäßige Organisation von Anwendertreffen und Workshops: - Pflege persönlicher Kontakte und Bereitstellung neuester Erkenntnisse• Regelmäßiger Kontakt zu den FDS-Hauptentwicklern: - aktive Mitgestaltung bei der weiteren FDS-Entwicklung
  5. 5. Porträt der deutschsprachigen FDS-Usergroup:Aktivitäten• Durchführung regelmäßiger Treffen: - bislang vier große Anwendertreffen seit 2008 - „Roundtable Discussion“ mit den FDS-Hauptentwicklern im Juni 2010 - zwei Workshops und fortlaufende Regionaltreffen der Arbeitsgruppe NRW• breites Spektrum an Themen: - Anwendungsbeispiele aus der täglichen Praxis - Parameterstudien zu unterschiedlichen Aspekten von FDS - Präsentationen zur Integration neuer Methoden, z.B. zur Berechnung des Wärmeübergangs in Bauteile, der Verifikation und der Parallelisierung
  6. 6. Porträt der deutschsprachigen FDS-Usergroup:Kooperationen• Vernetzung der Mitglieder untereinander: - Austausch bzgl. gemeinsamer Forschungsinteressen - Einrichtung themenorientierter Arbeitskreise: z.B.: gemeinsame Erarbeitung qualitätssichernder Kriterien bei der Anwendung von FDS (FDS-Leitfaden)• Vernetzung mit Hauptentwicklern: - unbürokratische Kommunikationswege durch persönlichen Kontakt - regelmäßiger Austausch zur FDS-Weiterentwicklung
  7. 7. Inhalt• Porträt der deutschsprachigen FDS-Usergroup - Zielsetzungen - Aktivitäten - Kooperationen• Optimierte Parallelisierungskonzepte für den FDS-Drucklöser - Motivation und Problembeschreibung - FFT versus ScaRC• Numerische Vergleichsrechnungen - Durchströmung eines 2D-Kanals - Einströmung in einen 3D-Kubus• Bewertung und Ausblick - Diskussion der Testreihen - FDS in the Cloud
  8. 8. Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Motivation und ProblembeschreibungFragen:• Warum ist der FDS-Drucklöser so wichtig?• Welche Probleme bestehen im Multi-Mesh-Fall?• Warum ist die Parallelisierung des FDS-Drucklösers so schwierig? Die effiziente Parallelisierung der FDS-Druckgleichung ist noch immer eine große Herausforderung ! email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  9. 9. Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Motivation und Problembeschreibung FDS-Druckgleichung: Elliptische partielle Differentialgleichung vom Poisson-Typ starke globale Kopplung wegen hoher Ausbreitungsgeschwindigkeit • lokale Informationen breiten sich unmittelbar im ganzen Gebiet aus • lokale Effekte oder Störungen beeinflussen die gesamte Lösung paralleler Löser muss dieses Verhalten bestmöglich reproduzieren ! email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  10. 10. Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Motivation und Problembeschreibung2D-Pipe mit neuer Rand-Information von links: Zeitpunkt t neue Rand-Information von linker Gebietsseite Wie sieht das reale physikalische Verhalten aus ? email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  11. 11. Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Motivation und Problembeschreibung2D-Pipe mit Rand-Information von links: Zeitpunkt t + ∆t Rand-Information breitet sich unmittelbar übers ganze Gebiet aus ! Im Fall von nur einem Mesh besteht keine Zeitverzögerung bei der Informationsweitergabe, der parallele FDS-Löser muss dieses physikalische Verhalten jedoch nachahmen! email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  12. 12. Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Diskretisierung in FDSBeispiel: Single-Mesh-Fall: globale FFT (Fast-Fourier Transformation) 1 lineares Gleichungssystem: m=1Globale Finite-Differenzen-Diskretisierung: email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  13. 13. Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Diskretisierung in FDSBeispiel: Gebietszerlegung in 4 Meshes: 4 lineare Gleichungssysteme: m = 1,..., 4Lokale Finite-Differenzen-Diskretisierungen: (m) (m) (m) (m) (m) (m) email@hhpberlin.de , m = 1,...,4 Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  14. 14. Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Standard FFT-DrucklöserBeispiel: Gebietszerlegung in 4 Meshes: lokale FFT 4 lokale FFT‘s lokale FFT + lokaler Datenaustausch lokale keine globale Kopplung !! FFT lokale FFT • unabhängige FFT-Verfahren auf allen Teilgebieten • lokale Kopplung entlang innerer Ränder durch Kommunikation email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  15. 15. Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Standard FFT-Drucklöser1. Zyklus der lokalen FFT-Löser: • Einström-Information wird nur 3 über Mesh 1 verteilt 4 • Information wird innerhalb eines Kommunikationszyklus auf den 2 linken Rand von Mesh 2 kommuniziert, Mesh 3 und Mesh 1 4 erhalten noch keine Information fehlerhafte Einströmdaten für Mesh 2, die nur näherungsweise der globalen Rechnung entsprechen email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  16. 16. Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Standard FFT-Drucklöser2. Zyklus der lokalen FFT-Löser: • Einström-Information wird auch 3 über Mesh 2 verteilt 4 • Information wird auf den linken Rand von Mesh 3 kommuniziert 2 1 fehlerhafte Einströmdaten für Mesh 3, die nur näherungsweise der globalen Rechnung entsprechen email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  17. 17. Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Standard FFT-Drucklöser3. Zyklus der lokalen FFT-Löser: • Einström-Information wird auch 3 über Mesh 3 verteilt 4 • Information wird auf den linken Rand von Mesh 4 kommuniziert 2 1 fehlerhafte Einströmdaten für Mesh 4, die nur näherungsweise der globalen Rechnung entsprechen email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  18. 18. Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Standard FFT-Drucklöser4. Zyklus der lokalen FFT-Löser: • Einström-Information erreicht 3 schließlich Ausflussrand 4 • benötigt 4 Zyklen im Gegensatz zu 1 Zyklus im Single-Mesh Fall 2 1 • Verzögerungen bei der Informationsweitergabe führen zu Abweichungen im Vergleich zum Single-Mesh Fall • kein globaler Zusammenhang • unphysikalischer Datentransport email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  19. 19. Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Standard FFT-DrucklöserVorteile:• effizient, robust und sehr performant im Single-Mesh-Fall• seit Jahren erfolgreich angewendetNachteile:• nicht zuverlässig im Multi-Mesh-Fall• schwierig zu parallelisieren Abhilfe: Neue FDS-Drucklöser FFT Iterationsschema (FFTI), ScaRC email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  20. 20. Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:FDS-Drucklöser - FFT-Iterationsschema (FFTI) Iteration FFT FFT 4 lokale FFT‘s + lokaler Datenaustausch FFT FFT + + Grobgitterproblem mäßige globale Kopplung • Einbettung der lokalen FFT-Verfahren in übergreifende Iteration plus Kopplung mit globalem Grobgitterproblem für gebietsübergreifende Effekte • Abbruchkriterium: Differenz der Normalkomponenten der Geschwindig- keiten entlang innerer Ränder kleiner als vorgegebene Toleranz ‘tol’: z.B.: &PRES VELOCITY_TOLERANCE=0.01 email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH Hauptsitz: www.hhpberlin.com Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  21. 21. Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:FDS-Drucklöser FFT-Iterationsschema (FFTI)Vorteile:• häufig geringere Abweichungen von serieller Lösung• tatsächlich Verbesserung der SkalierbarkeitNachteile:• optimaler Wert der Toleranz ‘tol’ nicht a-priori vorhersehbar• grundsätzlich sehr langsame Konvergenz• Toleranzen < 10(-3) je nach Gitterweite häufig selbst nach tausenden vonIterationen nicht erreichbar !! email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  22. 22. Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung: FDS-Drucklöser: Scalable Recursive Clustering (ScaRC) IterationGitterlevel 1 1 globales Mehrgitter (inkl. Gitterhierarchie) + lokaler DatenaustauschGitterlevel 2 + Grobgitterproblem • Interpolation zwischen den Gitterlevels • geringerer RechenaufwandGitterlevel 3 auf schrittweise gröberen Gittern, dadurch Ver- besserung des globalen DatenflussesGrobgitter starke globale Kopplung email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  23. 23. Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Scalable Recursive Clustering (ScaRC)Vorteile:• deutliche Verbesserungen bzgl. - der globalen physikalischen Kopplung - der Skalierbarkeit auf hohe Prozessorzahlen• punktweises Setzen von Randbedingungen möglich (je Zelle statt je Mesh)• Verwendung adaptiver Gitterverfeinerungskonzepte möglichNachteile:• unter Umständen höhere Laufzeit als FFT (aber: bisher noch NICHT laufzeitoptimiert!) email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  24. 24. Inhalt• Porträt der deutschsprachigen FDS-Usergroup - Zielsetzungen - Aktivitäten - Kooperationen• Optimierte Parallelisierungskonzepte für den FDS-Drucklöser - Motivation und Problembeschreibung - FFT versus ScaRC• Numerische Vergleichsrechnungen - Durchströmung eines 2D-Kanals - Einströmung in einen 3D-Kubus• Bewertung und Ausblick - Diskussion der Testreihen - FDS in the Cloud
  25. 25. Numerische Testreihen:Vergleich von FFT(I) versus ScaRC• FFT : Standard Multi-Mesh FFT-Löser (lokale Kommunikation) -n• FFTI, tol = 10 , n=1,...,4 : Multi-Mesh FFT-Löser mit vorgegebener Toleranz für die inneren Geschwindigkeitskomponenten (lokale + globale Kommunikation),• ScaRC : neuer Mehrgitterlöser mit Gitterhierarchie (lokale + globale Kommunikation) email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  26. 26. Numerische Testreihen:Vergleich von FFT(I) versus ScaRCFragen:• Wie konsistent sind die Multi-Mesh-Varianten zum Single-Mesh-Fall?• Wie ist Skalierbarkeit auf hohe Meshanzahlen?Nachweisführung:• Vergleich der relevanten Multi-Mesh-Größen - falls vorhanden mit der analytischen Lösung, - falls nicht vorhanden alternativ mit dem entsprechenden Single-Mesh-Fall email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  27. 27. Numerische Testreihen:Durchströmung eines 2D-Kanals • Unterteilung in N = 2, 4, 8 und 16 Teilgebiete • Berechnung der Druckdifferenz: email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  28. 28. Numerische Testreihen:Durchströmung eines 2D-KanalsAnalytische Lösung:Analytische Druckdifferenz für konstante Einströmung: Vergleich der numerisch ermittelten Druckdifferenz mit der analytischen Druckdifferenz email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  29. 29. Numerische Testreihen:Durchströmung eines 2D-Kanals, Standard-FFT keine Konsistenz (geringe Rechenzeit) • Single-Mesh-FFT entspricht perfekt der analytischen Lösung! • aber erhebliche Unterschiede zwischen Single- und Multi-Mesh-FFT • Verschlechterung für wachsende Meshanzahl Ingenieure für Brandschutz GmbH email@hhpberlin.de www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  30. 30. Numerische Testreihen: -1Durchströmung eines 2D-Kanals, FFTI, tol=10 keine Konsistenz #FFTI-Iterationen pro Zeitschritt: 2 (geringe Rechenzeit) -1 • keine Verbesserung für FFTI, tol=10 , gegenüber Standard-FFT • Verschlechterung für wachsende Meshanzahl email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  31. 31. Numerische Testreihen: -2Durchströmung eines 2D-Kanals, FFTI, tol=10 keine Konsistenz #FFTI-Iterationen pro Zeitschritt: 2 bis 115 (erkennbarer Anstieg der Rechenzeit) • immer noch keine nennenswerte Verbesserung für FFTI, tol=10 -2 • Verschlechterung für wachsende Meshanzahl email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  32. 32. Numerische Testreihen: -3Durchströmung eines 2D-Kanals, FFTI, tol=10 nur mäßige Konsistenz #FFTI-Iterationen pro Zeitschritt: 2 bis 398 (deutlicher Anstieg der Rechenzeit) -3 • erkennbare Verbesserung für FFTI, tol=10 • mit der Simulationsdauer und Meshanzahl wachsende Inkonsistenzen email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  33. 33. Numerische Testreihen: -4Durchströmung eines 2D-Kanals, FFTI, tol=10 verbesserte Konsistenz #FFTI-Iterationen pro Zeitschritt: 2 bis 577 (erheblicher Anstieg der Rechenzeit) -4 • deutliche Verbesserung für FFTI, tol=10 • aber immer noch keine Übereinstimmung!! email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  34. 34. Numerische Testreihen:Durchströmung eines 2D-Kanals, ScaRC volle Konsistenz #ScaRC-Iterationen pro Zeitschritt: durchschnittlich 10 (Rechenzeit etwa vergleichbar mit -2 FFTI, tol=10 ) • völlige Übereinstimmung unabhängig von Gebietszerlegung • dauerhafte Konsistenz auch für noch höhere Meshanzahl email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  35. 35. Numerische Testreihen:Einströmung in einen 3D-Kubus Einströmung von links, unten, vorne Velocity-Slice durch Gebietsmitte (Vorderansicht) • Einströmgeschwindigkeit VEL = 2.0 m/s • Endzeitpunkt T = 1.8 s • Unterteilung in N = 64, 128 und 512 Meshes email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  36. 36. Numerische Testreihen:Einströmung in einen 3D-Kubus 64 Meshes (4x4x4) 128 Meshes (8x4x4) 512 Meshes (8x8x8) • keine analytische Lösung vorhanden • Abgleich aller Multi-Mesh-Druckverläufe mit dem Single-Mesh- Druckverlauf im Gebietsmittelpunkt email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  37. 37. Numerische Testreihen:Einströmung in einen 3D-Kubus, Standard-FFT die Multi-Mesh-Fälle können bestenfalls so gut sein wie der Single-Mesh-Fall !!! Referenzkurve, die vom parallelen Löser reproduziert werden muss email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  38. 38. Numerische Testreihen:Einströmung in einen 3D-Kubus, Standard-FFT nur sehr mäßige Konsistenz • geringe Übereinstimmung der Multi-Mesh-Fälle mit dem Single-Mesh-Fall • Verschlechterung für wachsende Meshanzahl • Druckverlauf wird im Multi-Mesh-Fall offenbar unterschätzt email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  39. 39. Numerische Testreihen: -1Einströmung in einen 3D-Kubus, FFTI, tol=10 nur mäßige Konsistenz • leichte Verbesserung gegenüber dem Standard-FFT-Fall • Verschlechterung für wachsende Meshanzahl email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  40. 40. Numerische Testreihen: -2Einströmung in einen 3D-Kubus, FFTI, tol=10 deutlich verbesserte Konsistenz • deutliche Annäherung der Verläufe • dennoch erkennbare Verschlechterung für wachsende Meshanzahl email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  41. 41. Numerische Testreihen: -3Einströmung in einen 3D-Kubus, FFTI, tol=10 wieder schlechtere Konsistenz trotz feinerer Toleranz ! • wieder schlechtere Übereinstimmung • insbesondere für hohe Meshanzahl wachsende Inkonsistenz • Druckverläufe werden offenbar überschätzt email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  42. 42. Numerische Testreihen: -4Einströmung in einen 3D-Kubus, FFTI, tol=10 noch schlechtere Konsistenz trotz feinerer Toleranz ! • erneut deutlich schlechtere Übereinstimmung • insbesondere für hohe Meshanzahl wachsende Inkonsistenz • Druckverläufe werden offenbar überschätzt email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  43. 43. Numerische Testreihen:Einströmung in einen 3D-Kubus, ScaRC nahezu vollständige Konsistenz • nahezu gleicher Verlauf unabhängig von Gebietszerlegung • automatisch Rundungsfehlergenauigkeit 10 an inneren Rändern -16 email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  44. 44. Inhalt• Porträt der deutschsprachigen FDS-Usergroup - Zielsetzungen - Aktivitäten - Kooperationen• Optimierte Parallelisierungskonzepte für den FDS-Drucklöser - Motivation und Problembeschreibung - FFT versus ScaRC• Numerische Vergleichsrechnungen - Durchströmung eines 2D-Kanals - Einströmung in einen 3D-Kubus• Bewertung und Ausblick - Diskussion der Testreihen - FDS in the Cloud
  45. 45. Bewertung und Ausblick:Vor- und Nachteile FFT(I)• Single-Mesh-FFT: - bildet realen physikalischen Verlauf im 1-D Problem sehr gut ab• Multi-Mesh-FFT: - Aufbrechen des physikalischen Zusammenhangs (nur lokale Kopplung) - unzureichende Skalierbarkeit auf hohe Meshanzahlen• Multi-Mesh-FFTI: - bessere globale Kopplung/Skalierbarkeit als standardmäßige Multi-Mesh-FFT - dennoch keine völlige Konsistenz mit dem Single-Mesh-Fall - optimale Toleranzen für FFTI a-priori schwierig zu bestimmen Weiterer Entwicklungsbedarf ! email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  46. 46. Bewertung und Ausblick:Vorteile von ScaRC• liefert deutlich verbesserte Genauigkeit und Skalierbarkeit auf hohe Meshanzahlen• arbeitet datenparallel, d.h. erzeugt im Multi-Mesh-Fall dieselbe Lösung wie im entsprechenden Single-Mesh-Fall (sofern die Eingabedaten konsistent sind!)• ermöglicht die Behandlung von nicht-äquidistanten bzw. adaptiven Gittern• erlaubt das punktweise Setzen von Randbedingungen (im Gegensatz dazu kann beim FFT-Löser nur eine einzige Randbedingung pro Fläche, d.h. dem Rand eines Meshes, gesetzt werden) die Hauptentwickler wollen ScaRC als optionalen Drucklöser in die kommende Version FDS 6 integrieren email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  47. 47. Bewertung und Ausblick:Bisherige Nachteile von ScaRC• bisher noch nicht Laufzeit-optimiert• aktuell noch um Faktor 2 bis 3 höhere Laufzeit als das Standard FFT- Verfahren (für einen numerisch fairen Vergleich muss jedoch mit dem langsameren FFTI-Verfahren verglichen werden, da Standard-FFT im Multi- Mesh-Fall keine konsistenten Resultate liefert !!)• für einige Testfälle auch bei ScaRC noch leichte Inkonsistenzen zwischen einigen Multi-Mesh- und entsprechenden Single-Mesh-Fällen erkennbar• in Zusammenarbeit mit den Hauptentwicklern wurde bereits identifziert, dass der ‘umliegende Code’ leicht unterschiedliche Eingabedaten für Single-Mesh und Multi-Mesh-Fälle produziert (außerhalb von ScaRC!) weitere Tests und Optimierungen erforderlich email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  48. 48. Bewertung und Ausblick:Aktuelle und geplante Arbeiten• umfangreiche Konsistenzchecks in den umliegenden Routinen in Kooperation mit den Hauptentwicklern beim NIST• umfangreiche Verifikationstests für verschiedene Geometrien in Kooperation mit Matthias Münch, INURI GmbH• verschiedene Vergröberungstechniken für die Gitterhierarchien von ScaRC auf Basis von algebraischen Mehrgitterverfahren• Austesten der Anwendbarkeit auf komplexe Geometrien• Integration von Adaptivitätskonzepten (ab 2012)• Laufzeitoptimierung (ab Herbst 2011)• Nutzung von Cloud-Computing email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  49. 49. Bewertung und Ausblick:FDS in the Cloud• Mit der Implementation von ScaRC in FDS6 wird es möglich, numerische Simulationen auf mehr CPUs als bislang aufzuteilen Der Laufzeitnachteil von ScaRC kann kompensiert werden• Zusätzlich können mit großen CPU-Anzahlen die Meshauflösung weiter verringert werden oder eine größere Zahl an Varianten gleichzeitig berechnet werden• Betrieb von eigenen Clustersystemen mittel/ langfristig ineffizient• hhpberlin arbeitet eng mit Microsoft zusammen, um mit Verfügbarkeit von FDS6 / ScaRC Rechnungen in der Cloud (verteilten Clustersystemen) email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH zu ermöglichen www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  50. 50. Bewertung und Ausblick:FDS in the Cloud Beispiel: automatisierte Kontrolle• Das Rechnen auf entfernten und verteilten Rechnern erfordert vorab die Lösung vielfältiger Fragestellungen - Überwachung / Kontrolle der Berechnungen Smokeview über das Internet? vorgegebene HRR - Latenz zwischen den Rechenknoten wird bei steigender CPU-Anzahl immer simulierte HRR wichtiger - Die CPU-Geschwindigkeit pro Kern ist bei aktuell verfügbaren Angeboten noch gering - Wie erfolgt der Zugriff der einzelnen Instanzen (CPUs) auf gemeinsame Daten, wie kann von außen der Zugriff ermöglicht und kontrolliert werden email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin
  51. 51. Kontaktinformationenhhpberlin Ingenieure für Brandschutz GmbHRotherstraße 19 Geschäftsführer:10245 Berlin Dipl.-Ing. Margot Ehrlicher Amtsgericht Dipl.-Inf. BW (VWA) Stefan Truthän Berlin CharlottenburgRosental 5 Dipl.-Ing. Karsten Foth HRB 78 92780331 München Prokurist: Deutsche Bank P+G AGKurze Mühren 20 Dipl.-Ing. Harald Niemöller BLZ 100 700 2420095 Hamburg Konto-Nr. 1419100 Beirat: IBAN-Nr. DE52100700240141910000Wilhelm-Leuschner-Straße 41 Prof. Dr.-Ing. Dietmar Hosser Swift-Code: DEUTDEDBBER60329 Frankfurt am Main Dr.-Ing. Karl-Heinz Schubert Ust-IdNr. DE217656065Frankfurter Straße 2 email@hhpberlin.de Phone: +49 (30) 89 59 55 038122 Braunschweig www.hhpberlin.de Fax: +49 (30) 89 59 55 9 101 51
  52. 52. Parallele Lösung der FDS-Druckgleichung:Scalable Recursive Clustering (ScaRC)Verwendung (lokal) adaptiver Gitterverfeinerungskonzepte möglich: • lokale Verfeinerung von Bereichen mit hoher Variation der Daten • AMR-Methode („adaptive mesh refinement“) email@hhpberlin.de Ingenieure für Brandschutz GmbH www.hhpberlin.com Hauptsitz: Rotherstraße 19, 10245 Berlin

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