WakaSi Training 2022
Hydropower meets Supercomputing:
EuroCC Austria ermöglicht Nutzung von Supercomputer bei CFD Schulungsevent
In dieser erfolgreichen Zusammenarbeit zwischen Wirtschaft und Wissenschaft, übten sich Ingenieure aus österreichischen klein- und mittelständischen Unternehmen (KMU) in strömungsmechanischen Berechnungen auf einem Hochleistungsrechner und zwar keinem geringeren als dem VSC-4, der leistungsstärksten Maschine Österreichs. Das daraus gewonnene Wissen wird in den jeweiligen Unternehmen einen Beitrag zur Effizienzsteigerung von Wasserkraftwerken leisten.
Vom 21. bis 25. März 2022, nahmen fünf österreichische KMU aus dem Sektor der Wasserkraftwerkskonstruktion und Wasserkraftwerksbetreiber an einer Schulung zu numerischer Strömungsmechanik (CFD) an der TU Wien teil. Ziel war jene Teile eines Wasserkraftwerks mittels CFD zu simulieren, die den größten Belastungen ausgesetzt sind, wie zum Beispiel Turbine oder Schaufelrad. Zur Simulation und Visualisierung wurde ausschließlich open-source Software wie OpenFOAM und Paraview eingesetzt.
Die Schulungsmaßnahme fand im Rahmen des von der österreichischen
Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) finanzierten „Innovationscamp S“ unter dem Namen
WakaSi statt und wurde von Bernhard Semlitsch vom Institut für Energietechnik und Thermodynamik an der TU Wien organisiert und gehalten.
Die Herausforderung
Eine erfolgreiche Simulation entsteht durch Aneinanderreihung mehrerer anspruchsvoller Schritte, die allesamt viel Rechenleistung abverlangen. Deshalb laufen CFD Anwendungen am effizientesten auf Hochleistungsrechnern mit großem lokalen Festplattenspeicher für den Datendurchsatz, Hochgeschwindigkeitsnetzwerken mit niedriger Latenz und optimierten Recheneinheiten (CPUs).
Simulationen auf einem Hochleistungsrechner laufen zu lassen, bedarf außer CFD Erfahrung noch zusätzliches Know-how. Man muss zu einem gewissen Grad mit parallelem Programmieren vertraut sein und die Software, Hardware und Netzwerkinfrastruktur des Rechners kennen. Die Teilnehmer des Innovationscamps hatten alle unterschiedliche Grade an Expertise im Bereich CFD, niemand von ihnen war jedoch zuvor mit Hochleistungsrechnen in Berührung gekommen.
Maßgeschneiderte Lösung
Die Stromlinien zeigen das Strömungsverhalten in der Turbine, wobei der Farbverlauf den Totaldruckabfall anzeigt. Die Farbconturen auf dem Laufrad stellen den statischen Druck dar.
© Bernhard Semlitsch
Aufgrund der Verbindung zur TU Wien, war EuroCC Austria in der Lage, Bernhard Semlitsch und seinem Team die nötigen Rechenressourcen am VSC-4 zur Verfügung zu stellen und auch für technischen Support durch Personal des Vienna Scientific Clusters (VSC) zu sorgen. Es wurde jedoch schnell augenscheinlich, dass der herkömmliche Workflow eine Einstiegshürde für die Teilnehmenden zum Hochleistungsrechnen werden würde.
Konventionellerweise, muss man nämlich zuerst ein Modell auf einem lokalen Rechner erstellen, das Gitternetz auf Ungereimtheiten prüfen, die entsprechenden Randbedingungen und Parameter setzen, um erst dann die entstandene Datei an den Supercomputer zu schicken, dort ein Job Script zu schreiben, den Job dem Reihungssystem zu übergeben, das Ergebnis an den lokalen Computer zu senden, um schlussendlich die Resultate visualisieren und interpretieren zu können.
Um den Zugang zum Hochleistungsrechner zu erleichtern, bot EuroCC Austria die Nutzung der erst unlängst in Betrieb genommenen, GPU beschleunigten Rack Workstations am VSC-4 an. Diese ermöglichten den Teilnehmern ihre Simulationen zur Gänze am Supercomputer laufen zu lassen. Dank der verbauten GPUs war der grafische Output flüssig.
Da die brandneuen Rack Workstations noch nie in einem größeren Trainingsevent Verwendung fanden, musste EuroCC Austria deren Funktionalität im Vorfeld gründlich überprüfen und testen. Außerdem wurde während der Schulung Personal zur Verfügung gestellt, um einen störungsfreien Ablauf sicherzustellen. Zusätzlich hielt EuroCC Austria Schulungsinhalte zum allgemeinen Einsatz von Hochleistungsrechnen ab und brachte den Teilnehmern gegen Ende der fünf-tägigen Veranstaltung den konventionellen Workflow mit Job Submission und Parallelisierung über mehrere Rechenknoten zwecks optimierter Simulationsbeschleunigung näher.
Know-how zum Mitnehmen
Am Ende der Schulung meisterten die Teilnehmer nicht nur strömungsmechanische Simulationen und deren Workflows auf Hochleistungsrechnern, sondern lernten lösungsorientierte und kosteneffiziente Antworten auf fluidmechanische Problemstellungen zu finden, was in weiterer Folge dazu dienen soll, die Effizienz von Wasserkraftwerken zu verbessern. Obendrauf lernten die teilnehmenden Ingenieure auch den VSC und dessen zur Verfügung stehende Rechenleistung kennen.
Für uns von EuroCC Austria, war es eine Freude an der Schulung signifikant mitwirken zu dürfen. Wir sind schon gespannt auf die innovativen und optimierten Lösungen im Bereich erneuerbare Energien die
gbd Hydro ZT GmbH, Voith Hydro, GUGLER Water Turbines GmbH, Global Hydro Energy und Geppert Hydropower in Zukunft bringen werden.