Chuvas fortes podem causar o transbordamento de rios e sistemas de drenagem ou o rompimento de barragens, levando a eventos de inundação que trazem danos a propriedades e sistemas rodoviários, bem como a perda potencial de vidas humanas.

Um desses eventos em 2008 custou US $ 10 bilhões em danos para todo o estado de Iowa. Após o dilúvio, o Iowa Flood Center (IFC) na University of Iowa (UI) foi estabelecido como o primeiro centro nos Estados Unidos para pesquisa e educação avançadas relacionadas a enchentes.

Hoje, modelos de inundação 2-D simplificados são o estado da arte para prever a propagação da onda de inundação, ou como as inundações se espalham pela terra. Uma equipe da IFC, liderado pelo professor da UI George Constantinescu, está criando modelos de inundação 3-D não hidrostáticos que podem simular com mais precisão a propagação da onda de inundação e levar em conta a interação entre a onda de inundação e grandes obstáculos, como barragens ou paredes de planície de inundação. Esses modelos 3-D também podem ser usados ​​para avaliar e melhorar as capacidades preditivas dos modelos 2-D que agências governamentais e empresas de consultoria usam para prever como as enchentes se espalharão e os riscos e perigos associados.

Usando um dos supercomputadores mais poderosos do mundo - Titan, o Cray XK7 de 27 petaflop no Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) - a equipe de Constantinescu realizou um dos primeiros altamente resolvidos, 3-D, Volume-of-fluid Reynolds-Average Navier-Stokes (RANS) simulações de um rompimento de barragem em um ambiente natural. A simulação permitiu à equipe mapear os níveis de água precisos para eventos reais de enchentes ao longo do tempo. RANS é um método amplamente usado para modelar fluxos turbulentos.

"Eventos de inundação, como aqueles gerados por rompimentos de barragens, pode ser computacionalmente muito caro para simular, "Constantinescu disse." Anteriormente, não havia poder de computador suficiente para fazer esses tipos de simulações com precisão de tempo em grandes domínios computacionais, mas com o poder da computação de alto desempenho [HPC] e Titan, estamos alcançando mais do que se pensava ser possível. "

O projeto foi apoiado em 2015 e 2016 dentro do programa de usuários discricionários do Diretor do OLCF. O OLCF, um Centro de Usuários do Escritório de Ciências do Departamento de Energia dos EUA (DOE) localizado no Laboratório Nacional de Oak Ridge do DOE, fornece recursos HPC para projetos de pesquisa e desenvolvimento para o avanço da descoberta científica.

As simulações 3-D da equipe mostraram que os modelos 2-D comumente usados ​​podem prever imprecisamente alguns aspectos da inundação, como o tempo durante o qual os níveis de inundações perigosas duram em certos locais e a quantidade de área de superfície inundada. Os resultados da simulação também demonstraram que os modelos 2-D podem subestimar a velocidade com que as enchentes se espalham e superestimar o momento em que as ondas da enchente atingem seu ponto mais alto.

Quando as fontes de água que deságuam em um rio aumentam simultaneamente, eles podem desencadear uma ou mais ondas de inundação sucessivas. Precisão do 1-D, 2-D, ou modelos de inundação 3-D que rastreiam como essas ondas se movem são cruciais para prever a profundidade máxima da inundação, condições perigosas, e outras variáveis.

“Precisamos saber o que vai acontecer nas situações em que uma barragem se romper, "Constantinescu disse." Precisamos saber quem será afetado, quanto tempo eles terão para evacuar, e o que mais pode acontecer ao meio ambiente como resultado. "

Como os modelos 2-D fazem suposições simplificadas sobre alguns aspectos do fluxo, eles não podem explicar as mudanças no fluxo, como quando a onda de inundação se move em torno de grandes obstáculos, muda rapidamente de direção, ou submerge totalmente os decks da ponte. A equipe precisava de um supercomputador de classe de liderança para executar as simulações 3-D e capturar com precisão essas mudanças.

Titan muda a atual

Usando um solucionador RANS 3-D totalmente não hidrostático, a equipe realizou as primeiras simulações da falha hipotética de duas barragens de Iowa:a Barragem de Coralville em Iowa City e a Barragem de Saylorville em Des Moines. Cada um usava uma grade computacional de cerca de 30-50 milhões de células e cobria uma área física de cerca de 20 milhas por 5 milhas.

A equipe usou o software de dinâmica de fluidos computacional de última geração STAR-CCM +. Este software apresenta um método de volume de fluido para rastrear a posição da superfície livre da água - as áreas onde a água encontra o ar. Em um estudo de escalabilidade, a equipe determinou o desempenho máximo do código para as simulações de quebra de barragem. Os pesquisadores usaram 2, 500 processadores de CPU do Titan para desempenho máximo em cada simulação.

Os pesquisadores também calcularam os mesmos casos de teste de quebra de barragem usando um modelo 2-D padrão comumente usado pela IFC. Quando eles compararam os resultados 2-D com os das simulações 3-D, eles descobriram que o modelo 2-D subestimou a rapidez com que a onda de enchente se moveu pela terra e superestimou o momento em que a enchente máxima ocorreu. Esta descoberta é importante porque as agências governamentais e empresas de consultoria usam modelos de fluxo raso 2-D para prever o rompimento de barragens e inundações, bem como para estimar os riscos de inundação.

"Ao realizar essas simulações 3-D, fornecemos um enorme conjunto de dados que pode ser usado para melhorar a precisão dos modelos de inundação 2-D e 1-D existentes, "Constantinescu disse." Também podemos examinar a eficácia da implantação de estruturas de proteção contra inundações para diferentes cenários de inundação. "A equipe finalmente mostrou que o HPC pode ser usado com sucesso para responder a perguntas de engenharia relacionadas às consequências de falha estrutural de barragens e perigos relacionados.

Constantinescu disse que, à medida que os computadores se tornam mais rápidos e poderosos, simulações de eventos de inundação completos em regiões físicas maiores serão possíveis. Cume, o supercomputador de próxima geração do OLCF que está programado para entrar em operação em 2018, irá descobrir novas possibilidades para a pesquisa de Constantinescu.

"Avanços em algoritmos numéricos, geração automática de rede, e o aumento da potência do supercomputador acabará por tornar as simulações de ondas de inundação ao longo de grandes períodos de tempo possíveis usando o Titan, e ainda mais com a Summit, "Constantinescu disse." Eventualmente, coisas que antes tínhamos que fazer manualmente, como a geração de uma grade computacional de alta qualidade, fará apenas parte do pacote de software típico. "