An efficient parallelization technique for the coupled problems of fluid, gas and plasma mechanics in the grid environment

Abstract

Розробка ефективних стратегій розпаралелювання для методів чисельного моделювання механіки рідини, газу та плазми залишається однією з ключових технологічних проблем у сучасних наукових обчисленнях. Числові моделі динаміки газу та плазми на основі рівнянь Нав'є-Стокса та електродинаміки вимагають величезних обчислювальних зусиль. Для таких випадків використання паралельних і розподілених обчислень виявилося ефективним. Обчислювальне середовище Grid могло б надати практично необмежені обчислювальні ресурси та зберігання даних, зручні інструменти запуску та моніторингу завдань, графічні інтерфейси користувача, такі як веб-портали та системи візуалізації. Однак розгортання традиційних вирішувачів CFD у середовищі Grid залишається дуже обмеженим, оскільки в основному для цього потрібна кластерна обчислювальна архітектура. У цьому дослідженні досліджується застосовність розподілених обчислень і грід-технологій для вирішення слабких проблем механіки рідини, газу та плазми, включаючи методи керування розділенням потоку, наприклад використання плазмових приводів для впливу на структуру прикордонного шару. Представлено методи адаптації алгоритмів пов’язаних задач обчислювальної гідродинаміки та електродинаміки для розподілених обчислень у грід- та хмарній інфраструктурі. Розроблено паралельний вирішувач, який підходить для інфраструктури Грід, і виконано тестові обчислення в розподіленому обчислювальному середовищі. Проаналізовано результати моделювання для частково іонізованого відокремленого потоку за круговим циліндром. Обговорення включає деякі показники продуктивності та оцінку ефективності розпаралелювання. Було показано потенціал інфраструктури Грід для забезпечення потужного та гнучкого обчислювального середовища для швидкого та ефективного розв’язання задач із слабким зв’язком механіки рідини, газу та плазми. The development of efficient parallelization strategies for numerical simulation methods of fluid, gas and plasma mechanics remains one of the key technology challenges in modern scientific computing. The numerical models of gas and plasma dynamics based on the Navier-Stokes and electrodynamics equations require enormous computational efforts. For such cases, the use of parallel and distributed computing proved to be effective. The Grid computing environment could provide virtually unlimited computational resources and data storage, convenient task launch and monitoring tools, graphical user interfaces such as web portals and visualization systems. However, the deployment of traditional CFD solvers in the Grid environment remains very limited because basically it requires the cluster computing architecture. This study explores the applicability of distributed computing and Grid technologies for solving the weak-coupled problems of fluid, gas and plasma mechanics, including techniques of flow separation control like using plasma actuators to influence boundary layer structure. The adaptation techniques for the algorithms of coupled computational fluid dynamics and electrodynamics problems for distributed computations on grid and cloud infrastructure are presented. A parallel solver suitable for the Grid infrastructure has been developed and the test calculations in the distributed computing environment are performed. The simulation results for partially ionized separated flow behind the circular cylinder are analysed. Discussion includes some performance metrics and parallelization effectiveness estimation. The potential of the Grid infrastructure to provide a powerful and flexible computing environment for fast and efficient solution of weak-coupled problems of fluid, gas and plasma mechanics has been shown.