Parallel object-oriented algorithms for simulation of multiphysics : application to thermal systems

Abstract

The present and the future expectation in parallel computing pose a new generational change in simulation and computing. Modern High Performance Computing (HPC) facilities have high computational power in terms of operations per second -today peta-FLOPS (10e15 FLOPS) and growing toward the exascale (10e18 FLOPS) which is expected in few years-. This opens the way for using simulation tools in a wide range of new engineering and scientific applications. For example, CFD&HT codes will be effectively used in the design phase of industrial devices, obtaining valuable information with reasonable time expenses. However, the use of the emerging computer architectures is subjected to enhancements and innovation in software design patterns. So far, powerful codes for individually studying heat and mass transfer phenomena at multiple levels of modeling are available. However, there is no way to combine them for resolving complex coupled problems. In the current context, this PhD thesis presents the development of parallel methodologies, and its implementation as an object-oriented software platform, for the simulation of multiphysics systems. By means of this new software platform, called NEST, the distinct codes can now be integrated into single simulation tools for specific applications of social and industrial interest. This is done in an intuitive and simple way so that the researchers do not have to bother either on the coexistence of several codes at the same time neither on how they interact to each other. The coupling of the involved components is controlled from a low level code layer, which is transparent to the users. This contributes with appealing benefits on software projects management first and on the flexibility and features of the simulations, later. In sum, the presented approaches pose a new paradigm in the production of physics simulation programs. Although the thesis pursues general purpose applications, special emphasis is placed on the simulation of thermal systems, in particular on buildings energy assessment and on hermetic reciprocating compressors.

Las expectativas puestas en el uso de la computación en paralelo plantean un cambio generacional en simulación y computación. Las más modernas instalaciones computacionales de alto nivel -High Performance Computing (HPC)- alcanzan ya la capacidad de realizar gran cantidad de operaciones por segundo -hoy del orden de peta-FLOPS (1e15 FLOPS) y dirigiéndose hacia exaFlops (1e18 FLOPS)-. Esto abre la posibilidad de usar la simulación por ordenador en un amplio espectro de nuevas aplicaciones en ciencia e ingeniería. Por ejemplo, los códigos de CFD&HT van a poder usarse de una forma más efectiva en la fase de diseño de dispositivos industriales ya que se obtendrán resultados muy valiosos en tiempos de ejecución razonables. Por el momento, hay muchos códigos disponibles para el estudio individual de fenómenos de transferencia de calor i de masa con distintos niveles de modelización. Sin embargo, estos códigos no se pueden combinar entre sí para abordar problemas más complejos, en los cuales varios fenómenos físicos interactúan simultáneamente. Bajo este contexto, en esta tesis doctoral se presenta el desarrollo de una metodología de estrategia paralela, y su implementación en una plataforma informática, para la simulación de sistemas multi-físicos. De éste modo, ahora los distintos códigos pueden ser integrados para la creación de nuevas herramientas de simulación destinadas a aplicaciones específicas de interés tanto social como industrial. Esto se hace de una manera intuitiva y simple de manera que los investigadores no tienen que preocuparse ni por la coexistencia de varios códigos simultáneamente ni en cómo hacer que interactúen entre ellos. El acoplamiento entre los diferentes componentes involucrados en una simulación se realiza mediante un código más básico con el cual el usuario solamente interacciona a través de una interfase. Esto aporta interesantes beneficios tanto en la gestión de los proyectos de programario como en la flexibilidad y las características de las simulaciones. En resumen, la estrategia que se propone plantea un nuevo paradigma en la producción de programas de simulación de fenómenos físicos. Aunque la tesis persigue aplicaciones de propósito general se ha puesto especial atención en la simulación de sistemas térmicos, en particular en la evaluación energética de edificios y en compresores herméticos alternativos.