3D-modeller hjælper videnskabsmænd med at måle oversvømmelser

Kraftig nedbør kan få floder og afløbssystemer til at flyde over eller dæmninger til at bryde, fører til oversvømmelser, der medfører skader på ejendom og vejsystemer samt potentielle tab af menneskeliv.

En sådan begivenhed i 2008 kostede 10 milliarder dollars i erstatning for hele staten Iowa. Efter oversvømmelsen, Iowa Flood Center (IFC) ved University of Iowa (UI) blev etableret som det første center i USA for avanceret oversvømmelsesrelateret forskning og uddannelse.

I dag, forenklede 2-D oversvømmelsesmodeller er den nyeste teknologi til at forudsige oversvømmelsesbølgeudbredelse, eller hvordan oversvømmelser spredes over land. Et hold hos IFC, ledet af UI professor George Constantinescu, skaber 3-D ikke-hydrostatiske oversvømmelsesmodeller, der mere nøjagtigt kan simulere oversvømmelsesbølgeudbredelse og redegøre for samspillet mellem oversvømmelsesbølgen og store forhindringer såsom dæmninger eller flodslettevægge. Disse 3-D-modeller kan også bruges til at vurdere og forbedre forudsigelsesmulighederne af de 2-D-modeller, som offentlige myndigheder og konsulentvirksomheder bruger til at forudsige, hvordan oversvømmelser vil sprede sig og de tilhørende risici og farer.

Ved at bruge en af ​​verdens mest kraftfulde supercomputere – Titan, den 27 petaflop Cray XK7 på Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF)—Constantinescus hold udførte en af ​​de første meget opløste, 3-D, volumen-of-fluid Reynolds-gennemsnitlige Navier-Stokes (RANS) simuleringer af et dæmningsbrud i et naturligt miljø. Simuleringen gjorde det muligt for holdet at kortlægge præcise vandstande for faktiske oversvømmelser over tid. RANS er en meget brugt metode til modellering af turbulente strømme.

"Oversvømmelser, som dem, der genereres af dæmningsbrud, kan være beregningsmæssigt meget dyrt at simulere, " sagde Constantinescu. "Tidligere, der var ikke nok computerkraft til at lave denne slags tidsnøjagtige simuleringer i store beregningsdomæner, men med kraften fra højtydende databehandling [HPC] og Titan, vi opnår mere, end man tidligere troede var muligt."

Projektet blev støttet i 2015 og 2016 inden for OLCF's Director's Discretionary user program. OLCF, et US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility beliggende ved DOE's Oak Ridge National Laboratory, leverer HPC-ressourcer til forsknings- og udviklingsprojekter for at fremme videnskabelig opdagelse.

Holdets 3-D-simuleringer viste, at almindeligt anvendte 2-D-modeller kan unøjagtigt forudsige nogle aspekter af oversvømmelser, såsom den tid, hvor farlige oversvømmelser varer på bestemte steder, og mængden af ​​oversvømmet overfladeareal. Simuleringsresultater viste også, at 2-D-modeller kan undervurdere den hastighed, hvormed oversvømmelser spredes, og overvurdere det tidspunkt, hvor oversvømmelsesbølger når deres højeste punkt.

Når vandkilderne, der munder ud i en flod, stiger samtidigt, de kan udløse en eller flere på hinanden følgende oversvømmelsesbølger. Nøjagtighed af 1-D, 2-D, eller 3-D oversvømmelsesmodeller, der sporer, hvordan disse bølger bevæger sig, er afgørende for at forudsige maksimal oversvømmelsesdybde, farlige forhold, og andre variabler.

"Vi er nødt til at vide, hvad der vil ske i situationer, hvor en dæmning går i stykker, " sagde Constantinescu. "Vi er nødt til at vide, hvem der vil blive berørt, hvor meget tid de vil have til at evakuere, og hvad der ellers kan ske med miljøet som følge heraf."

Fordi 2-D-modeller gør forenklede antagelser om nogle aspekter af flowet, de kan ikke tage højde for ændringer i flowet, som når oversvømmelsesbølgen bevæger sig rundt om store forhindringer, skifter hurtigt i retning, eller helt nedsænker brodæk. Holdet havde brug for en supercomputer i lederskabsklassen til at køre 3D-simuleringerne og nøjagtigt fange disse ændringer.

Titan ændrer strømmen

Ved at bruge en fuldstændig ikke-hydrostatisk 3-D RANS solver, holdet udførte de første simuleringer af den hypotetiske fejl i to Iowa-dæmninger:Coralville-dæmningen i Iowa City og Saylorville-dæmningen i Des Moines. Hver brugte et beregningsgitter på omkring 30-50 millioner celler og dækkede et fysisk område på omkring 20 miles gange 5 miles.

Holdet brugte den avancerede computervæskedynamiksoftware STAR-CCM+. Denne software har en væskevolumenmetode til at spore placeringen af ​​vandets frie overflade - de områder, hvor vandet møder luften. I en skalerbarhedsundersøgelse, holdet bestemte topydelsen af ​​koden for dæmningsbrudsimuleringerne. Forskerne brugte 2, 500 af Titans CPU-processorer for maksimal ydeevne i hver simulering.

Forskerne beregnede også de samme dæmningsbrud-testtilfælde ved hjælp af en standard 2-D-model, der almindeligvis bruges af IFC. Da de sammenlignede 2-D-resultaterne med 3-D-simuleringerne, de fandt ud af, at 2-D-modellen undervurderede, hvor hurtigt oversvømmelsesbølgen bevægede sig hen over land og overvurderede det tidspunkt, hvor den maksimale oversvømmelse fandt sted. Denne konstatering er vigtig, fordi offentlige myndigheder og konsulentvirksomheder bruger 2-D lavvandede strømningsmodeller til at forudsige dæmningsbrud og oversvømmelser, samt at estimere oversvømmelsesfaren.

"Ved at udføre disse 3D-simuleringer, vi leverede et enormt datasæt, der kan bruges til at forbedre nøjagtigheden af ​​eksisterende 2-D og 1-D oversvømmelsesmodeller, " sagde Constantinescu. "Vi kan også undersøge effektiviteten af ​​at implementere oversvømmelsesbeskyttelsesstrukturer til forskellige oversvømmelsesscenarier." Holdet viste i sidste ende, at HPC kan bruges med succes til at besvare tekniske spørgsmål relateret til konsekvenserne af strukturelt svigt af dæmninger og relaterede farer.

Constantinescu sagde, at efterhånden som computere bliver hurtigere og mere kraftfulde, simuleringer af fuldflodshændelser over større fysiske områder vil være mulige. Topmøde, OLCF's næste generations supercomputer, der er planlagt til at komme online i 2018, vil afdække nye muligheder for Constantinescus forskning.

"Fremskridt inden for numeriske algoritmer, automatisk netgenerering, og øget supercomputerkraft vil i sidste ende muliggøre simuleringer af oversvømmelsesbølger over længere tid ved hjælp af Titan, og endnu mere med Summit, " sagde Constantinescu. "Til sidst, ting vi tidligere skulle gøre i hånden, såsom at generere et beregningsnet af høj kvalitet, vil bare være en del af den typiske softwarepakke."