Implementación del cálculo de alto rendimiento en Openfoam para el análisis computacional en el tubo de aspiración de la turbina T-99

Abstract

Hydroelectricity is a form of energy obtained via a low-entropy producing process carried out in hydropower stations. Most of power plants are old and in need of refurbishment. The development of the numerical methods and computer power during the last decades has made the Computational Fluids Dynamics (CFD) an attractive tool design for this purpose. The general features of the flow in water turbines can be resolved, but in order to study the flow in detail, large HPC (High Performance Computing) facilities are required as high turbulence models, discretization schemes and grid density are needed. Actual tendencies in HPC using Graphics Processor Units (GPU) that are designed to do graphics rendering that have emerged as massively-parallel "co-processors" for the central processing unit (CPU). This work presents the parallel implementation of the Navier-Stokes 3D with application to the T-99 draft tube, benchmark for speed up the calculus in different cases are presented. Some parameters existing in information technology have been used to measure the numerical and computing performance of the simulations. We use Free Source Software such as GNU/linux as Operative System and OpenFoam as Fluid Simulator. GPU is expected to offer affordable low cost, high performance flow simulations.

La energía hidroeléctrica se genera de manera limpia a baja entropía, sin embargo la mayoría de las plantas que generan la electricidad son antiguas y necesitan rehabilitación. Para lograrlo, una vía es el estudio del flujo a través de la turbina. Las principales características del flujo en las turbinas hidráulicas pueden ser resueltas por medio de modelados numéricos realizados con la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). Actualmente, una simulación lo más aproximada a lo real es computacionalmente muy costosa. Por lo tanto, para la aplicación de modelos de turbulencia y esquemas de discretización que demandan más memoria de cálculo, se necesita de computadoras o configuraciones más potentes para lograr resultados confiables y detallados. Las tendencias actuales en el cálculo de alto rendimiento o High Performance Computing (HPC), es su aceleración por medio de Unidades Procesadoras de Gráficos (GPU's) a través del paralelismo fino de aplicaciones. Algunos algoritmos en CFD contienen la cualidad de la aceleración por medio de GPU. Este es el caso del código CFD con licencia GPL o bien de distribución gratuita, OpenFOAM, el cual tiene la ventaja de tener el código abierto (sin limitaciones en la cantidad de nodos que se pueden usar y el acceso a los algoritmos de los cálculos matriciales). Esta tesis presenta el análisis del paralelismo de las ecuaciones de Navier-Stokes 3D utilizando los GPU's del flujo incompresible en el código CFD; OpenFOAM, con aplicación al tubo de aspiración de la turbina hidráulica T-99. Con los resultados de este trabajo se espera una visualización completa del flujo y una reducción importante del tiempo de cálculo por medio de una comparación cuantitativa, para este importante dispositivo de la turbina.