Projektowanie nowoczesnych mieszadeł elektromagnetycznych dla pieców łukowych z wykorzystaniem HPC Mirosław Kupczyk (PCSS) Poznań 13.09.2016
Projektowanie nowoczesnych mieszadeł elektromagnetycznych dla pieców łukowych z wykorzystaniem HPC SME: Ergolines s.r.l., Area Science Park, Padriciano 99, 34016, Trieste, Italy Firma zajmuje się projektowaniem elementów urządzeń hutniczoodlewniczych, sensorów sterowania poziomem topnienia, przewidywania przerw w procesach, pomiary oscylacji form, itd.. Filozofia działania: dostosowanie się do wymagań każdego indywidualnego klienta. PRACE SHAPE Preparatory Access Phase C.
Problematyka: Różni klienci inne parametry produktu. Wymagana symulacja modelu za każdym razem. Istniejące oprogramowanie nie było testowane na dużych systemach HPC. Czas obliczeń pojedynczej symulacji to ok 9 godzin (WallTime), na 8 rdzeniach stanowczo za długo. (Wymaga to poprawy). Pierwszym etapem procesu odlewania jest topienie złomu do pieca łukowego. Optymalne topnienia stali ma decydujący wpływ na efektywność całego procesu odlewania, zarówno pod względem efektywności energetycznej, optymalizacji kosztów i wydajności. Użycie mieszania elektromagnetycznego w piecu łukowym (EAF) znacząco poprawia wydajność EAF dostarczając wiele korzyści, w tym lepszą homogenizację ciekłej kąpieli i mniejsze zużycie pieca. Celem projektu jest przeprowadzenie i dobór parametrów (pamięć, liczba rdzeni obliczeniowych, komunikacja międzyprocesowa itp) symulacji HPC opartych na dynamice płynów (MHD) ciekłej stali w elektrycznym piecu łukowym pod wpływem mieszania elektromagnetycznego. (Rzeczywisty problem naukowo-inżynierski do rozwiązania)
Mieszadło elektromagnetyczne
Organizacja prac: Portowanie: wdrożenie i uruchomienie kodów na BlueGene / Q (FERMI) (system obliczeniowy PRACE Tier-0 ) w CINECA, Włochy. Przygotowanie skryptów uruchomieniowych sekwencyjnych i równoległych. Profilowanie: ilościowe sprawdzenie czasu obliczeniowego spędzonego w każdym bloku kodu. Przeprowadzenie wstępnych symulacji i optymalizacji parametrów: projektowanie EMS obejmowało wielokrotne iteracyjne symulacje : 1) analiza geometrycznych ograniczeń, 2) obliczania charakterystyki EM, 3) płyn symulacji dynamicznej 4) optymalizacja parametrów, 5) iteracja kroki od 2 do 4, aż wymagana wydajność EM został osiągnięty. Benchmarking: analiza porównawcza wydajności bieżącej wersji i zaktualizowanej wersji kodu poprzez uruchamianie symulacji.
Geometria, siatka, dynamika płynów, pole prędkości. Siatka: 3 mln elementów.
Warunki początkowe symulacji dynamiki płynów określono przy użyciu oprogramowania Comsol Multiphysics pole magnetyczne wytworzone przez mieszadło i pole sił indukowane w stali. Symulacja dynamiki płynów została wykonana przy pomocy oprogramowania open source: OpenFOAM (C++, MPI), wraz z oprogramowaniem własnym firmy Ergoline solverem łączącym zagadnienia elektromagnetyzmu i dynamiki płynów (tu: ciekła stal). OpenFOAM 2.1.1 toolbox CFD Kompilator GNU 4.4.6 C++ Komputer: CINECA: FERMI Architecture: IBM BlueGene/Q Model: 10 racks Processor Type: IBM PowerA2, 1.6 GHz Computing Cores: 163.840 Computing Nodes: 10.240, 16 core each RAM: 16 GB/node, 1GB/core Internal Network: custom with 11 links -> 5D Torus Disk Space: 2.6 PB of scratch space Peak Performance: 2PFlop/s
Różne sposoby rozkładu domen zostały porównane: - "prosta" metoda, która tworzy siatkę, w której liczba elementów na jednostkę objętości, w ogólności, nie jest taka sama dla wszystkich elementów; - "hierarchiczna" metoda, która tworzy siatkę, w których liczba elementów na jednostkę objętości jest stała w całym obszarze. Takie podejście pozwoliło na efektywne rozłożenie obciążenia obliczeniowego na rdzenie. Zauważono, że bardzo ważne jest odpowiednie rozmieszczenie procesów na węzłach, ze względu na wielkości pamięci na tych węzłach. Poprawiono czas obliczeń: 9 godzin -> 20 minut.
SHAPE Project Ergolines - ITU Partnership: HPC-based Design of a Novel Electromagnetic Stirrer for Steel Casting Isabella Mazza (a), Ahmet Duran (b) &, Yakup Hundur (c), Cristiano Persi(a), Andrea Santoro(a), Mehmet Tuncel(b) a) Ergolines s.r.l., Area Science Park, Padriciano 99, 34016, Trieste, Italy b) Istanbul Technical University (ITU), Mathematical Engineering, 34469 Sariyer, Istanbul, Turkey c) Istanbul Technical University (ITU), Physical Engineering, 34469 Sariyer, Istanbul,Turkey 19 April 2016 Whitepaper: http://www.prace-ri.eu/img/pdf/wp214.pdf Więcej o programie SHAPE dla SME: http://www.prace-ri.eu/hpc-access/shapeprogramme/