CESI
Modelli numerici ed applicazioni ai corpi idrici
della fluidodinamica ambientale
CAPI ‘04
Milano, 24/25 Novembre 2004
R. Guandalini
Area Studi Territoriali ed Ambientali
Pianificazione Risorse Idriche
E-mail : [email protected]
web : www.cesi.it
L’esperienza del CESI (1)
 Il CESI ha raccolto e consolidato l’esperienza e la tradizione di
diverse realtà produttive e di ricerca (CISE, ENEL-DSR, CRIS,
ISMES) nel campo della modellistica fluidodinamica e strutturale,
realizzando nell’Area Studi Territoriali ed Ambientali una completa
sinergia tra i comparti acqua, atmosfera e territorio.
 In questo ambito, il gruppo di Pianificazione delle Risorse Idriche
si pone come riferimento per lo studio e la risoluzione delle
problematiche legate all’uso della risorsa idrica, prevalentemente
riferite ai corpi idrici superficiali, mediante l’utilizzo della
simulazione numerica avanzata.
 L’attività di servizio per terzi non ha impedito l’attività di ricerca,
anzi ha meglio finalizzato lo sviluppo di codici proprietari e di
modelli avanzati, anche nell’ambito della Ricerca di Sistema
Elettrico
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L’esperienza del CESI (2)
L’analisi fluidodinamica mediante modelli numerici
 supporta le Valutazioni di Impatto Ambientale per diverse
tipologie di impianti (dissalatori, raffinerie, centrali idroelettriche e
termoelettriche, piattaforme petrolifere, gassificatori, dighe)
 affronta problemi di sostenibilità ambientale (qualità delle acque,
erosione dei fondali e delle coste, effetti di flussi idrodinamici
forzati, rispetto delle normative, interazione con manufatti)
 è parte essenziale in studi di caratterizzazione biologica di
particolari ambienti (lagune, sistemi idraulici complessi, laghi)
 è utilizzata per l’addestramento di sistemi di previsione e di
controllo operanti in tempo reale
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CESI
I modelli numerici per lo studio dei corpi idrici (1)
Caratteristiche dei modelli
 sono basati sulle equazioni di Navier-Stokes, integrate
dall’equazione della superficie libera, dalle equazioni di stato,
dalle equazioni scalari per la diffusione termica e di sostanze
inquinanti
 utilizzano diversi approcci modellistici 2-D e 3-D (elementi finiti,
volumi finiti, differenze finite)
 includono modelli di turbolenza a diversi livelli di scala (parametri
costanti, modello di Prandtl, k-)
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I modelli numerici per lo studio dei corpi idrici (2)
Interazione con i parametri ambientali
 considerano l’interazione con i parametri ambientali quali vento,
irraggiamento, scambio termico con l’atmosfera, marea, sessa
Aeronautica Militare - Stazione meteorologica di Genova
Frequenze medie annuali di vento
0-1 nodi
2-4 nodi
337.5 - 360.0
5-7 nodi
8-12 nodi
0.0 - 22.5
80
13-23 nodi
>23 nodi
22.5 - 45.0
70
315.0 - 337.5
60
45.0 - 67.5
50
40
292.5 - 315.0
67.5 - 90.0
30
20
10
270.0 - 292.5
0
90.0 - 112.5
247.5 - 270.0
112.5 - 135.0
225.0 - 247.5
135.0 - 157.5
202.5 - 225.0
157.5 - 180.0
180.0 - 202.5
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CESI
I modelli numerici per lo studio dei corpi idrici (3)
Principali vantaggi (suggeriti dall’esperienza)
 duttilità nella rappresentazione dei fenomeni, possibile a diversi
livelli di complessità di rappresentazione
 piena scala. Nessuna necessità, rispetto a modelli fisici costosi e
realizzabili solo presso laboratori attrezzati, di operare in scala
ridotta
 simulazione dei fenomeni anche per lunghi periodi e su domini di
grandi dimensioni, rispetto alle misure in campo, molto costose
su larga scala e per lunghi periodi
 simulazione dei diversi aspetti di un problema ambientale
connettendo diversi modelli numerici in cascata (idrodinamica,
qualità delle acque, evoluzione di componenti biologiche)
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I modelli numerici per lo studio dei corpi idrici (4)
Principali svantaggi (suggeriti dall’esperienza)
 complessità crescente al crescere del dettaglio di simulazione e
del numero delle variabili indipendenti, con aumento della
potenza di calcolo necessaria
 necessità e costi di una manutenzione specialistica delle diverse
versioni (sequenziale, parallela) su diverse piattaforme di calcolo,
conseguente agli inevitabili aggiornamenti e miglioramenti
modellistici
 uso spesso possibile solo ad un utilizzatore specializzato con una
conoscenza approfondita sia dei problemi che degli algoritmi di
simulazione
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Come mantenere i vantaggi e ridurre gli svantaggi? (1)
Gli obiettivi ed i vincoli
 aumento delle prestazioni, con possibilità di studiare problemi più
ampi e complessi, riducendo il tempo di esecuzione
 massima portabilità sulle diverse piattaforme, allo scopo di
minimizzare l’impatto del turn-over e del diverso sistema
operativo delle macchine, spesso legato a scelte aziendali
 ambiente software standardizzato, in modo da garantire la
minimizzazione dei costi di sviluppo e manutenzione, e la
massima sinergia tra i diversi approcci modellistici
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Come mantenere i vantaggi e ridurre gli svantaggi? (2)
Le soluzioni
 approccio parallelo, allo scopo di aumentare le dimensioni del
calcolo e ridurre i tempi
 realizzazione di un unico interfaccia grafico, in ambiente Visual
Tcl/Tk operativo sulle diverse piattaforme, che si fa carico di
gestire automaticamente i dati di ingresso, la gestione ed il
controllo del calcolo, l’analisi dei risultati
 “porting” di tutto il software in Fortran 2000, eliminazione di
librerie non standard, sostituzione delle routine di sistema con le
corrispondenti funzioni intrinseche del linguaggio (routine del
tempo, funzioni di interrogazione del sistema)
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CESI
Esperienze di calcolo parallelo (1)
Considerazioni preliminari
 i problemi tipicamente affrontati (tratti fluviali o reti di canali da
poche centinaia di metri a qualche decina di km, laghi o aree
marine da qualche kmq ad un centinaio di kmq) presentano
domini irregolari per forma e fondali, presenza di strutture civili ed
industriali che richiedono un alto livello di discretizzazione
spaziale e temporale
 le dimensioni del calcolo possono raggiungere i 150000-200000
nodi spaziali, e l’analisi in transitorio può interessare periodi di
parecchi giorni con passi temporali dell’ordine di pochi secondi
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Esperienze di calcolo parallelo (2)
Esperienze con PVM, MPI, HPF
 per la maggior parte dei codici è stata in passato realizzata una
versione PVM o MPI
 sono state fatte esperienze come “end user” anche in ambito
europeo (progetti PARADISE e PCECOWATER) per ottimizzare
le prestazioni
 è stata fatta una valutazione di portabilità in HPF nell’ambito del
progetto europeo PHAROS
 vi è un problema di compatibilità tra le installazioni su diverse
piattaforme
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Esperienze di calcolo parallelo (3)
Conclusioni
 le caratteristiche del calcolo fluidodinamico (rapporto
operazioni/IO) e l’alta velocità raggiunta dai processori rispetto ai
tempi di trasferimento dati mostrano una scalabilità fino al max a
8 processori, e speed up ottimale fino a 4 processori (2.8-3.5)
 il costo di aggiornamento e manutenzione di versioni parallele
PVM/MPI è alto rispetto alle prestazioni ed alla manutenzione di
una versione sequenziale
 per avere buone prestazioni è necessario (in HPF indispensabile)
ristrutturare la gestione dei dati, già di per sé complessa;
occorrono competenze specialistiche non sempre presenti in una
struttura produttiva
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Esperienze di calcolo parallelo (4)
Il progetto INTONE: finalità
 Il CESI ha partecipato al progetto europeo INTONE (INnovative
TOols for Non-Experts) per la definizione e realizzazione di un
ambiente di sviluppo integrato per la parallelizzazione ed
ottimizzazione in ambiente Open-MP 2.0 di codici di calcolo di
tipo industriale da parte degli stessi utenti finali
 l’ambiente INTONE include il compilatore Fortran, il compilatore
C, le librerie runtime, l’analizzatore di performance Vampir, il
“performance assistant” per la ottimizzazione ed un “cluster
programming system” per l’uso su cluster di macchine shared
memory
 è liberamente scaricabile dal sito www.cepba.upc.edu/intone
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Esperienze di calcolo parallelo (5)
Il progetto INTONE: risultati
 i codici di fluidodinamica proprietari sono stati parallelizzati
includendo le direttive Open-MP
 viene aggiornata una sola versione sorgente del codice, in grado
di essere eseguita sia sequenzialmente che in parallelo
 le prestazioni in termini di speed up sono leggermente inferiori
rispetto ad una versione MPI, ma non occorrono ristrutturazioni
del codice, e comunque dipendono dal livello di parallelizzazione

sono disponibili su piattaforme Windows, Unix, Linux ed Irix
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CESI
Esperienze di calcolo parallelo (6)
Le esperienze in corso
 Il codice SWEET-OMP® è stato utilizzato per compiere una serie
di test su macchine a 64 bit di nuova generazione (AMD64
Opteron e Intel Itanium-2) in collaborazione con il laboratorio di
PC Professionale (Mondadori Informatica)
 sono state effettuate prove in ambiente Linux Red Hat, Linux
Suse e Windows XP, fino a 4 processori, ottenendo ottime
prestazioni con le nuove architetture di comunicazione che
riducono i tempi di latenza
 il problema principale si è rivelato il software, con particolare
riferimento ai compilatori, che non sempre sono risultati
pienamente compatibili con le nuove architetture
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I codici di calcolo in uso presso il CESI (1)
I codici proprietari
 il codice SWEET-OMP® 3.04 utilizza un modello 2-D “shallow
water” secondo De Saint-Venant, con un dominio descritto da
elementi finiti triangolari parabolici, particolarmente adatto per lo
studio di fiumi, reti di canali ed in generale acque poco profonde
 il codice HYDRA-OMP® 5.04 utilizza un modello 3-D con
approssimazione idrostatica, con un dominio descritto da
elementi finiti esaedrici lineari, particolarmente adatto per lo
studio di fiumi, laghi, aree marine ed in generale acque profonde
 il codice TRIMDI 3.01 utilizza anch’esso un modello 3-D con
approssimazione idrostatica, ma con un dominio discretizzato
secondo un reticolo a maglie sfalsate particolarmente adatto per
lo studio aree marine molto vaste
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I codici di calcolo in uso presso il CESI (2)
I codici su licenza
 il codice CFX® 5 utilizza un modello 3-D molto sofisticato, e viene
utilizzato per risolvere problemi fluidodinamici complessi in cui la
componente turbolenta è fondamentale (in generale per studiare
interazioni tra fluido e strutture e per flussi non a pelo libero)
 il codice WASP 6.1 è il codice per la simulazione numerica della
qualità delle acque ed è automaticamente connesso con tutti i
codici di fluidodinamica. La licenza di questo codice è pubblica
(USEPA)
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CESI
I codici di calcolo in uso presso il CESI (3)
Caratteristiche comuni
 interfaccia grafica GUI
 dati di ingresso di tipo
ingegneristico,
quali
si
possono avere da cartografia
tecnica, GIS, strumenti in
campo, schemi di progetto
 diagnostica autoesplicativa
 aggancio automatico con i più
comuni standard CAD/CAE
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Esempi di applicazione (1)
Studio di una popolazione di meduse nella rada di La Spezia
Distribuzione
della velocità
Campo di
moto
vettoriale
Discretizzazione
spaziale della
rada
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Esempi di applicazione (2)
Studio della concentrazione di cloro prodotta da elettrodi marini
Anodo lineare in struttura
protetta (Algeria).
Concentrazione di cloro
Elettrodi multipli
posati sul fondo del
mare (Spagna).
Reticolo di calcolo e
concentrazione di
cloro
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Esempi di applicazione (3)
Erosione della struttura di scarico di un dissalatore
Struttura di scarico del
concentrato salino
(Emirati Arabi)
Concentrazione salina
nella sezione mediana
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Distribuzione degli sforzi
sulla struttura e sul fondo
(particolare)
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Esempi di applicazione (4)
Modello fluidodinamico del bacino del Lisert
canale Lisert
canale Tavoloni
fiume Moschenizze
Foce del Timavo
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fiume Timavo
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Esempi di applicazione (5)
Proliferazione algale in un bacino artificiale montano
WASP 6.1
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Lago di Fiastra (Marche)
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Esempi di applicazione (6)
Diffusione termica in mare da una centrale termoelettrica
Distribuzione 3D
di temperatura
Campo di moto
dovuto a più
scarichi
Porto di Genova
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Esempi di applicazione (7)
Addestramento di un sistema tipo PREDIT
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Esempi di applicazione (8)
Analisi di strutture di contenimento delle piene
Bacino del fiume
Sierila (Finlandia)
Struttura di
contenimento
Distribuzione
delle velocità
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CESI
Esempi di applicazione (9)
Simulazioni del fiume Po
Effetto della
marea nel delta
del Po
Analisi del livello nel
tratto mantovano
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Esempi di applicazione (10)
Minimizzazione della turbolenza in uno scarico idroelettrico in lago
CFX
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Esempi di applicazione (11)
Ottimizzazione della ripartizione delle portate in un impianto idroelettrico
Prima…sbilanciamento
gruppi funzionanti 1,2,3,4
biforcazione
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Portata complessiva ai gruppi
Portata complessiva ai gruppi
SITUAZIONE ATTUALE:
100%
100%
80%
60%
40%
20%
0%
0%
Galleria Principale
Galleria
Secondaria
CONVOGLIATORE 2/3 galleria principale:
gruppi funzionanti 1,2,3,4
Dopo…bilanciamento !
100%
80%
60%
48%
52%
Galleria Principale
Galleria
Secondaria
40%
20%
0%
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Esempi di applicazione (12)
Studio di erosione di un alveo
CFX
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Considerazioni finali
L’esperienza CESI ha evidenziato che:
 la fluidodinamica ambientale applicata ai corpi idrici superficiali è
in grado di simulare con buona accuratezza fenomeni complessi
 possono essere affrontati problemi assai vari per tipologia e
contenuti
 è conveniente effettuare le simulazioni su macchine/cluster di
piccola/media taglia (da 2 a 4 processori)
 si ottiene un buon rapporto costi/prestazioni ed una forte
riduzione dei costi di esercizio se si usano standard di
parallelizzazione non specialistici (Open-MP)
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