L’offerta HPC in ENEA
Opportunità per la ricerca e l’industria
Marta Chinnici – Ricercatore ENEA
[email protected]
Meeting – KIC ICTLabs
Trento, 23 Novembre 2011
HPC ENEA: application areas
Ingegneria
Nucleare
Ambiente e Clima
Combustione
Scienze dei materiali
Fluidodinamica
Bioinformatica
Infrastrutture critiche
Beni culturali
Efficienza Energetica
ENEA-GRID & Laboratori Virtuali
Il Laboratorio Virtuale è una modalità operativa che intende favorire la
collaborazione fra i diversi attori pubblici ed industriali per lo sviluppo di
applicazioni innovative e lo scambio di esperienze in un determinato settore.
I L.V. consentono la fruizione remota di grandi impianti ed apparecchiature
e si basano sull’uso delle infrastrutture multimediali di ENEA-GRID e sulla
disponibilità via web di tutti i software per il calcolo scientifico necessari
all’elaborazione dei dati nei singoli laboratori.
Con questa metodologia gli utenti remoti possono:
• vedere, sentire ed interagire con il personale tecnico locale dell’impianto;
•Visualizzare e condividere informazioni, software e dati in tempo reale;
•Partecipare attivamente durante le sessioni di prova e, ove previsto,
prendere il controllo di strumenti ed apparecchiature.
ENEA-GRID & Laboratori Virtuali
I laboratori Virtuali attualmente presenti in ENEA sono:
•
CMAST: Scienza dei materiali computazionali;
•
Clima;
•
Fissione nucleare;
•
Fluidodinamica;
•
DySCo (structural Dynamics, numerical Simulation, qualification tests and
vibration COntrol): focalizzato sull’erogazione di prove e test di resistenza
e caratterizzazione dinamica e anti-sismica;
•
Grafica 3D.
Scenario: Modellistica e simulazione della
combustione
Nel settore energetico è evidente la necessità di una sinergia tra chi si
occupa delle applicazioni e chi ne studia la fisica di base. La Computational
Fluid Dynamics (CFD) ha raggiunto uno sviluppo tale da fornire
informazioni molto dettagliate sui processi fluidodinamici, irraggiungibili
per via sperimentale. In particolare, la Large Eddy Simulation (LES) è in
grado di catturare le non stazionarietà di un flusso, l'interazione di larga
scala tra turbolenza, combustione ed acustica, e così aprire nuove strade
per il controllo dei processi energetici ed il miglioramento della loro
efficienza.
La modellistica e la simulazione numerica hanno assunto un ruolo sempre
più importante nella progettazione e nello studio delle tecnologie
energetiche.
•
La simulazione numerica viene utilizzata per lo studio di cicli di processo,
per la progettazione di componenti e l’analisi delle prestazione degli stessi
in termini di rendimento, di emissioni, per la predizione delle
concentrazioni degli inquinanti e dei fenomeni non stazionari.
ENEA: Modellistica e simulazione della
combustione
In Enea nell’ambito dello studio e dello sviluppo di tecnologie di combustione,
vengono utilizzati principalmente due strumenti CFD:
1. un codice commerciale (FLUENT), che consente di simulare sistemi di
combustione con geometrie molto complesse e problemi di vario tipo (in
ambiente RANS);
2. un codice proprietario (HeaRT, acronimo di Heat Release and
Turbulence), che consente di simulare combustione in fase gas e anche
multi-fase in geometrie relativamente più semplici, ma che è dotato di
una modellistica (sia numerica che fisica) più avanzata ed accurata (in
ambiente LES).
Ambedue i codici sono paralleli e sono installati sulla piattaforma di HPC
CRESCO disponibile sulla GRID ENEA.
Modellistica e simulazione della combustione
ATTIVITA’ ENEA:
1. la ‘MILD combustion’: è una nuova tecnologia di combustione,
caratterizzata dall'assenza di un fronte di fiamma visibile, utile per
l'abbattimento di inquinanti, tipo NOx (ossidi di azoto).
2. la combustione di idrogeno e combustibili sintetici (syngas):
l'interesse su questi combustibili è legato alle problematiche
energetiche/ambientali (in particolare: riduzione dei gas serra). Studi
vengono condotti per lo sviluppo di nuovi bruciatori o per la modifica di
bruciatori già esistenti.
3. la gassificazione del carbone: tale processo ha il vantaggio di
utilizzare in maniera «pulita» il carbone e di produrre un combustibile
gassoso ad alto contenuto di idrogeno
4. la combustione di slurry di carbone: studio dell’evoluzione e dell’
interazione in un sistema multi fase (particelle solide/fase gassosa).
Alcuni risultati di simulazioni condotte su
CRESCO
RISULTATI DELLE SIMULAZIONI:
1. Combustione di una fiamma premiscelata e non, e coinvolgendo
diversi tipi di combustibili, dal puro idrogeno a miscele di sintesi
con vario contenuto di idrogeno, al gas naturale.
2. Studio dell’ interazione tra turbolenza e combustione in condizioni
di combustione convenzionale ed in nuovi regimi, come quello
MILD (flameless).
3. Studio dell’interazione di fiamme con onde acustiche, per
applicazioni in sistemi di controllo;
Alcuni risultati di simulazioni condotte su
CRESCO
Visualizzazione 3D di una fiamma premiscelata (in rosso) di
combustibile tradizionale (metano) e aria e mediante isosuperficie di temperatura. La fiamma è stabilizzata dalla zona di
ricircolo prodotta dal particolare bruciatore adottato. Il piano
trasversale rappresenta la distribuzione del campo di pressione.
Alcuni risultati di simulazioni condotte su
CRESCO
Visualizzazione 3D di una fiamma (verde) non premiscelata di
syngas e aria mediante iso-superficie di temperatura. Siamo in
grado di studiare l’effetto della turbolenza sulla cinetica del
processo ed in particolare di predire le estinzioni di fiamma
localizzate prodotte da vortici (rappresentati con linee di
corrente) rilasciati in prossimità dell'iniettore.
Alcuni risultati di simulazioni condotte su
CRESCO
Visualizzazione 3D del campo ti temperatura in un combustore
operante in modalità MILD. Codice: Heart in grado di predire
l'assenza di un fronte di fiamma tipico della combustione
tradizionale e l'omogeneità del campo di temperatura.
Alcuni risultati di simulazioni condotte su
CRESCO
Hydrogen / Air Supersonic Combustion in Hyshot
SCRAMJETS
Fuel Injection
3D flow structures and species concentration in supersonic combustion
OH mass fraction
Laboratory Scale Bluff-Body Burner:
Effects of Forced Acoustic Waves onto a Premixed Flame
Vorticity
Fields without
coaxial sound
waves
Fields with
coaxial sound
waves.
Vorticity 10 Pa, 20 kHz
Premixed CH4/Air
burner in ENEA’s
laboratory.
Axial Velocity
Utilizzo di onde
acustiche nelle
applicazioni di
processi di
stabilizzazione
e controllo di
fiamme.
A sinistra tipica
fiamma iniziale
con Bluff.
A destra
introduzione di
onde acustiche.
Axial Velocity
Scienza dei Materiali Computazionale
Principali Attività:
•
Storage dell’idrogeno: MgH2
•
Membrane metalliche per la produzione di idrogeno
•
Interazione organico-inorganico: peptide su nanotubo
•
Sistemi AX2 liquidi e amorfi: SiSe2, GeSe2, GeS2, etc
•
Ordine icosaedrico in metalli sottoraffreddati
•
Acqua supercritica, graphani, etc etc
•
Fotovoltaico
CODICI:
•
CPMD (Car-Parrinello Molecular Dynamics), CP2K
•
GROMACS (GROningen MAchine for Chemical Simulations)
•
Homemade per gli intermetallici e semiconduttori
Alcuni risultati di simulazioni condotte su
CRESCO
Storage dell’idrogeno (automotive applications)
Desorbimento idrogeno: interfaccia Mg-MgH2
Esperimento Enea
On the left scanning electron microscope image of the hydrogen desorption from magnesium hydride (MgH2). On the
right, the numerical model for the atomic simulation of the chemical and physical processes at the interface between
MgH2 and Mg during hydrogen desorption.
Codice: CPMD
Starting configuration : Mg: 72 atoms, MgH2:60 Mg atoms + 120 H atoms
Alcuni risultati di simulazioni condotte su
CRESCO
Studio sulla diffusione dell’idrogeno su interfaccia idruro di magnesio-Magnesio e
ruolo del ferro come catalizzatore
•mobilità degli atomi di idrogeno (dinamica a livello atomico) al variare di T
Alcuni risultati di simulazioni condotte su
CRESCO
Desorbimento idrogeno: interfaccia Mg-MgH2
•Snapshot dell’interfaccia per le varie T
Alcuni risultati di simulazioni condotte su
CRESCO
Peptide su nanostrutture di carbonio
Interazione: Organico – Inorganico, dinamica molecolare
classica
Alcuni risultati di simulazioni condotte su
CRESCO
Peptide su nanostrutture di carbonio
Organico - Inorganico: dinamica molecolare classica
Alcuni risultati di simulazioni condotte su
CRESCO
Peptide su nanostrutture di carbonio
Organic - Inorganic: dinamica molecolare ab-initio
Alcuni risultati di simulazioni condotte su
CRESCO
Sistemi AX2 liquidi e amorfi
Alcuni risultati di simulazioni condotte su
CRESCO
Sistemi AX2 liquidi e amorfi
Alcuni risultati di simulazioni condotte su
CRESCO
Rame liquido e sottoraffreddato
Alcuni risultati di simulazioni condotte su
CRESCO
Photovoltaic applications: organic solar cells
Polymer solar cells are considered to be a potential candidate to solve the problem of the
growing need of renewable, cost-effective energy sources. The maximum open circuit voltage
for polymer solar cells is related to the difference between the HOMO of the electron donor
and the LUMO of the electron acceptor. We implemented a theoretical approach to design
fullerene derivatives to be used as electron acceptor in polymer solar cells. We calculated the
LUMO levels of fullerene derivatives successfully used as electron acceptors and we correlated
the obtained values with the Voc of the corresponding device.
Modellistica climatica
Attività principale:
•
Studi e valutazioni sul potenziale energetico delle correnti marine
Modelli:
•
Protheus (proprietario): modello climatico a scala regionale per la
regione Mediterranea - prevedere, con sufficiente dettaglio spaziale e
temporale, il clima sulla regione mediterranea.
•
MedMIT: modello di circolazione del Mediterraneo
Il nucleo principale del sistema predittivo Protheus è costiuito da due modelli numerici:
uno che simula la dinamica dell’atmosfera ed il suolo, ed uno che simula la dinamica del
Mar Mediterraneo. I due modelli sono accoppiati dinamicamente per mezzo di un
interpolatore capace di scambiare le necessarie informazioni trai due modelli attraverso il
protocollo MPI.
Alcuni risultati di simulazioni condotte su
CRESCO
Dominio computazionale del modello climatico Protheus
Alcuni risultati di simulazioni condotte su
CRESCO
1. Dominio computazionale del
modello climatico MedMit
2. Dominio computazionale del
modello climatico MedMit
Batimetria del modello MedMit
1. MedMIT è stato eseguito in parallelo, mediante il
protocollo MPI;
2. la versione originaria MedMIT ha subito delle
modifiche per ottenere una descrizione più
dettagliata della dinamica dello Srtetto di
Gibilterra e per dimostrare come questa abbia
un’influenza sostanziale sulla circolazione
termoalina del Mediterraneo
Batimetria del modello dello stretto di
Gibilterra
Alcuni risultati di simulazioni condotte su
CRESCO
Visualizzazione 3D di dati del mediterraneo
Fluidodinamica su Cresco HPC System:
OpenFOAM e Fluent
Wind tunnel simulation for automotive industry
• Calcolo del coefficiente di resistenza al variare della geometria del
veicolo – forma aerodinamica – per ottenere consumi di carburante
ridotti
Si
è riusciti a far
girare fino a 2000
core
e
si
è
dimostrata
la
stabilità del codice e
la sua alta efficienza
87%
• Questo riduce i
tempi
da
62,7
giorni con 1 core
a 48 minuti con
2000
Fluidodinamica su Cresco HPC System:
OpenFOAM e Fluent
Benchmark 3D room
Energy efficiency in building
Enea HPC: industria e consorzi
Air flow dynamics and temperature inside new train cars
CETMA
http://www.cetma.it
Enea HPC: industria e consorzi
Hydrofoil flow simulation
CETMA
http://www.cetma.it
Configurazio
ne di una
struttura
alare da
adattarsi
sotto la
cinghia di
imbarcazion
i di tipo
trimarano TFoil
Enea HPC: industria e consorzi
Test di un’applicazione industriale
Aviogroup
http://www.aviogroup.com
Avio Group
OpenFOAM
applications in
supersonic CFD
simulations.
Enea HPC: Realtà virtuale
Beni culturali
Laser scanner technologies and 3D models
integration: analysis and methodological approach
Scansione Laser 3D
Il Laser Scanner 3D "ambientale" integrato all’interno della Grid-ENEA e
dell'infrastruttura di grafica avanzata è utilizzato per l’acquisizione di
edifici, impianti o aree archeologiche anche di notevoli dimensioni. Con
il termine “scansione 3D” si intende la creazione di un modello digitale
tridimensionale che rappresenti fedelmente le caratteristiche di forma e
di colore di un oggetto 3D. Il modello tridimensionale, ottenuto dalla
scansione, rappresenta una vera e propria banca dati, che permette di
estrapolare informazioni morfologiche e geometriche; elaborando la
“nuvola di punti”, si possono estrarre piante, sezioni, alzati dell'edificio,
impianto o area, che successivamente verranno trasformati in formato
CAD.
Laser
ENEA
3D models
Scanner
Systems
in
 ITR
(Imaging Topological Radar)
developed by ArtVisLab-ENEA
 HDS3000 by Leica-Geosystem
 VIVID 900 by MINOLTA
 Desktop 3D Scanner by NextEngine
Visualization of 3D laser scanner data from an
archaeological site using OpenSceneGraph
Laser scanning Juvanum
by HDS3000
•19 Scansioni
•16.589.664 punti
•Valori di XYZ riflettenza e
colore
•Acquisizione di coord.GPS
VISUALIZATION OF A SET OF MILLIONS OF
POINTS
OSG viewer: Currently there are commercial
software capable to display a large amount of
data in “near realtime”, but we were oriented to
an “open source” solution using our ENEA-GRID,
the OpenSceneGraph libraries and the powerful
viewer.
Distances evaluation: Integrating the ANN
library in the OSG viewer code, it was possible to
impolement a tool for evaluating distances
between points in the 3D scene.
Grazie per l’attenzione
[email protected]
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