Door hevige regenval kunnen rivieren en drainagesystemen overstromen of dammen breken, leiden tot overstromingen die schade aan eigendommen en wegenstelsels veroorzaken, evenals mogelijk verlies van mensenlevens.

Een dergelijke gebeurtenis in 2008 kostte 10 miljard dollar aan schade voor de hele staat Iowa. Na de vloed, het Iowa Flood Centre (IFC) van de University of Iowa (UI) werd opgericht als het eerste centrum in de Verenigde Staten voor geavanceerd onderzoek en onderwijs in verband met overstromingen.

Vandaag, vereenvoudigde 2-D overstromingsmodellen zijn de stand van de techniek voor het voorspellen van de voortplanting van hoogwatergolven, of hoe overstromingen zich over land verspreiden. Een team bij IFC, onder leiding van UI-professor George Constantinescu, maakt 3D niet-hydrostatische overstromingsmodellen die de voortplanting van hoogwatergolven nauwkeuriger kunnen simuleren en rekening kunnen houden met de interactie tussen de hoogwatergolf en grote obstakels zoals dammen of overstromingsvlaktewanden. Deze 3D-modellen kunnen ook worden gebruikt om de voorspellende capaciteiten te beoordelen en te verbeteren van de 2D-modellen die overheidsinstanties en adviesbureaus gebruiken om te voorspellen hoe overstromingen zich zullen verspreiden en de bijbehorende risico's en gevaren.

Met behulp van een van 's werelds krachtigste supercomputers, Titan, de 27 petaflop Cray XK7 bij de Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF)—Constantinescu's team voerde een van de eerste zeer vastberaden, 3D, vloeistofvolume Reynolds-gemiddelde Navier-Stokes (RANS) simulaties van een dambreuk in een natuurlijke omgeving. Dankzij de simulatie kon het team nauwkeurige waterstanden in kaart brengen voor werkelijke overstromingen in de loop van de tijd. RANS is een veelgebruikte methode voor het modelleren van turbulente stromingen.

"Overstromingen, zoals die ontstaan ​​door dambreuken, kan rekenkundig erg duur zijn om te simuleren, "Zei Constantinescu. "Vroeger, er was niet genoeg computerkracht om dit soort tijdnauwkeurige simulaties te doen in grote rekendomeinen, maar met de kracht van high-performance computing [HPC] en Titan, we bereiken meer dan eerder voor mogelijk werd gehouden."

Het project werd in 2015 en 2016 ondersteund binnen het discretionaire gebruikersprogramma van de directeur van het OLCF. het OLCF, een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) in het Oak Ridge National Laboratory van DOE, biedt HPC-middelen voor onderzoeks- en ontwikkelingsprojecten om wetenschappelijke ontdekkingen te bevorderen.

De 3D-simulaties van het team toonden aan dat veelgebruikte 2D-modellen sommige aspecten van overstromingen onnauwkeurig kunnen voorspellen. zoals de tijd dat gevaarlijke hoogwaterstanden op bepaalde locaties aanhouden en de hoeveelheid oppervlakte die onder water staat. Simulatieresultaten toonden ook aan dat 2D-modellen de snelheid waarmee overstromingen zich verspreiden kunnen onderschatten en de tijd waarop hoogwatergolven hun hoogste punt bereiken kunnen overschatten.

Wanneer de waterbronnen die uitmonden in een rivier tegelijkertijd stijgen, ze kunnen een of meer opeenvolgende vloedgolven veroorzaken. Nauwkeurigheid van de 1-D, 2-D, of 3D-overstromingsmodellen die volgen hoe deze golven bewegen, zijn cruciaal voor het voorspellen van de maximale overstromingsdiepte, gevaarlijke omstandigheden, en andere variabelen.

"We moeten weten wat er gaat gebeuren in situaties waarin een dam breekt, "Zei Constantinescu. "We moeten weten wie getroffen zal worden, hoeveel tijd ze zullen hebben om te evacueren, en wat er daardoor nog meer met het milieu kan gebeuren."

Omdat 2D-modellen vereenvoudigde veronderstellingen maken over sommige aspecten van de stroom, ze kunnen geen rekening houden met veranderingen in de stroom, zoals wanneer de vloedgolf rond grote obstakels beweegt, verandert snel van richting, of volledig onderdompelt brugdekken. Het team had een supercomputer van leiderschapsklasse nodig om de 3D-simulaties uit te voeren en deze veranderingen nauwkeurig vast te leggen.

Titan verandert de stroom

Met behulp van een volledig niet-hydrostatische 3D RANS-oplosser, het team voerde de eerste simulaties uit van het hypothetische falen van twee Iowa-dammen:de Coralville Dam in Iowa City en de Saylorville Dam in Des Moines. Elk gebruikte een rekenraster van ongeveer 30-50 miljoen cellen en besloeg een fysiek gebied van ongeveer 20 mijl bij 5 mijl.

Het team gebruikte de ultramoderne computationele vloeistofdynamica-software STAR-CCM+. Deze software beschikt over een vloeistofvolumemethode om de positie van het vrije oppervlak van het water te volgen - de gebieden waar water de lucht raakt. In een schaalbaarheidsstudie het team bepaalde de topprestaties van de code voor de dambreuksimulaties. De onderzoekers gebruikten 2, 500 van Titan's CPU-processors voor topprestaties in elke simulatie.

De onderzoekers berekenden ook dezelfde testgevallen voor dambreuken met behulp van een standaard 2D-model dat vaak wordt gebruikt door IFC. Toen ze de 2D-resultaten vergeleken met die van de 3D-simulaties, ze ontdekten dat het 2D-model onderschatte hoe snel de vloedgolf over land bewoog en de tijd overschatte waarop de maximale overstroming plaatsvond. Deze bevinding is belangrijk omdat overheidsinstanties en adviesbureaus 2-D ondiepe stromingsmodellen gebruiken om dambreuken en overstromingen te voorspellen, evenals het inschatten van overstromingsgevaar.

"Door deze 3D-simulaties uit te voeren, we hebben een enorme dataset geleverd die kan worden gebruikt om de nauwkeurigheid van bestaande 2D- en 1D-overstromingsmodellen te verbeteren, "Zei Constantinescu. "We kunnen ook de effectiviteit onderzoeken van het inzetten van hoogwaterbeschermingsstructuren voor verschillende overstromingsscenario's." Het team toonde uiteindelijk aan dat HPC met succes kan worden gebruikt om technische vragen te beantwoorden met betrekking tot de gevolgen van structureel falen van dammen en gerelateerde gevaren.

Constantinescu zei dat naarmate computers sneller en krachtiger worden, simulaties van volledige overstromingen over grotere fysieke regio's zijn mogelijk. Bijeenkomst, de supercomputer van de OLCF die in 2018 online zal komen, nieuwe mogelijkheden voor Constantinescu's onderzoek aan het licht zal brengen.

"Vooruitgang in numerieke algoritmen, automatische netopwekking, en een groter vermogen van supercomputers zal uiteindelijk de simulaties van vloedgolven over lange tijd mogelijk maken met behulp van Titan, en nog meer met Summit, "Zei Constantinescu. "Uiteindelijk, dingen die we voorheen met de hand moesten doen, zoals het genereren van een rekenraster van hoge kwaliteit, zal gewoon deel uitmaken van het typische softwarepakket."