Marta Chinnici – Ricercatore ENEA L’offerta HPC in ENEA Opportunità per la ricerca e l’industria Marta Chinnici – Ricercatore ENEA marta.chinnici@enea.it Meeting – KIC ICTLabs Trento, 23 Novembre 2011

HPC ENEA: application areas Ingegneria Nucleare Ambiente e Clima Combustione Scienze dei materiali Fluidodinamica Bioinformatica Infrastrutture critiche Beni culturali Efficienza Energetica

ENEA-GRID & Laboratori Virtuali  Il Laboratorio Virtuale è una modalità operativa che intende favorire la collaborazione fra i diversi attori pubblici ed industriali per lo sviluppo di applicazioni innovative e lo scambio di esperienze in un determinato settore.  I L.V. consentono la fruizione remota di grandi impianti ed apparecchiature e si basano sull’uso delle infrastrutture multimediali di ENEA-GRID e sulla disponibilità via web di tutti i software per il calcolo scientifico necessari all’elaborazione dei dati nei singoli laboratori. Con questa metodologia gli utenti remoti possono: vedere, sentire ed interagire con il personale tecnico locale dell’impianto; Visualizzare e condividere informazioni, software e dati in tempo reale; Partecipare attivamente durante le sessioni di prova e, ove previsto, prendere il controllo di strumenti ed apparecchiature. L’ENEA ed i Laboratori Virtuali

ENEA-GRID & Laboratori Virtuali I laboratori Virtuali attualmente presenti in ENEA sono: CMAST: Scienza dei materiali computazionali; Clima; Fissione nucleare; Fluidodinamica; DySCo (structural Dynamics, numerical Simulation, qualification tests and vibration COntrol): focalizzato sull’erogazione di prove e test di resistenza e caratterizzazione dinamica e anti-sismica; Grafica 3D.  

Scenario: Modellistica e simulazione della combustione Nel settore energetico è evidente la necessità di una sinergia tra chi si occupa delle applicazioni e chi ne studia la fisica di base. La Computational Fluid Dynamics (CFD) ha raggiunto uno sviluppo tale da fornire informazioni molto dettagliate sui processi fluidodinamici, irraggiungibili per via sperimentale. In particolare, la Large Eddy Simulation (LES) è in grado di catturare le non stazionarietà di un flusso, l'interazione di larga scala tra turbolenza, combustione ed acustica, e così aprire nuove strade per il controllo dei processi energetici ed il miglioramento della loro efficienza. La modellistica e la simulazione numerica hanno assunto un ruolo sempre più importante nella progettazione e nello studio delle tecnologie energetiche. La simulazione numerica viene utilizzata per lo studio di cicli di processo, per la progettazione di componenti e l’analisi delle prestazione degli stessi in termini di rendimento, di emissioni, per la predizione delle concentrazioni degli inquinanti e dei fenomeni non stazionari.

ENEA: Modellistica e simulazione della combustione In Enea nell’ambito dello studio e dello sviluppo di tecnologie di combustione, vengono utilizzati principalmente due strumenti CFD: un codice commerciale (FLUENT), che consente di simulare sistemi di combustione con geometrie molto complesse e problemi di vario tipo (in ambiente RANS); un codice proprietario (HeaRT, acronimo di Heat Release and Turbulence), che consente di simulare combustione in fase gas e anche multi-fase in geometrie relativamente più semplici, ma che è dotato di una modellistica (sia numerica che fisica) più avanzata ed accurata (in ambiente LES). Ambedue i codici sono paralleli e sono installati sulla piattaforma di HPC CRESCO disponibile sulla GRID ENEA. Rans e LES per modellare le equazioni di navier stokes

Modellistica e simulazione della combustione ATTIVITA’ ENEA: la ‘MILD combustion’: è una nuova tecnologia di combustione, caratterizzata dall'assenza di un fronte di fiamma visibile, utile per l'abbattimento di inquinanti, tipo NOx (ossidi di azoto). la combustione di idrogeno e combustibili sintetici (syngas): l'interesse su questi combustibili è legato alle problematiche energetiche/ambientali (in particolare: riduzione dei gas serra). Studi vengono condotti per lo sviluppo di nuovi bruciatori o per la modifica di bruciatori già esistenti. la gassificazione del carbone: tale processo ha il vantaggio di utilizzare in maniera «pulita» il carbone e di produrre un combustibile gassoso ad alto contenuto di idrogeno la combustione di slurry di carbone: studio dell’evoluzione e dell’ interazione in un sistema multi fase (particelle solide/fase gassosa).

Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO RISULTATI DELLE SIMULAZIONI: Combustione di una fiamma premiscelata e non, e coinvolgendo diversi tipi di combustibili, dal puro idrogeno a miscele di sintesi con vario contenuto di idrogeno, al gas naturale. Studio dell’ interazione tra turbolenza e combustione in condizioni di combustione convenzionale ed in nuovi regimi, come quello MILD (flameless). Studio dell’interazione di fiamme con onde acustiche, per applicazioni in sistemi di controllo;

Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Visualizzazione 3D di una fiamma premiscelata (in rosso) di combustibile tradizionale (metano) e aria e mediante iso- superficie di temperatura. La fiamma è stabilizzata dalla zona di ricircolo prodotta dal particolare bruciatore adottato. Il piano trasversale rappresenta la distribuzione del campo di pressione. Attraverso superfici di temperatura. È una fiamma di tipo convenzionale stabilizzata per mezzo della sua particolare geometria. Siamo in grado di seguire l’evoluzione nel tempo del processo. Caso semplice, base.

Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Visualizzazione 3D di una fiamma (verde) non premiscelata di syngas e aria mediante iso-superficie di temperatura. Siamo in grado di studiare l’effetto della turbolenza sulla cinetica del processo ed in particolare di predire le estinzioni di fiamma localizzate prodotte da vortici (rappresentati con linee di corrente) rilasciati in prossimità dell'iniettore. Caso in cui la fiamma non è premiscelata in cui si è studiato un combustibile sintetico siamo in grado di studiare l’effetto della turbolenza sulla cinetica del processo. In particolare di predire l’estinzioni di fiamma localizzate prodotte dai vortici.

Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Visualizzazione 3D del campo ti temperatura in un combustore operante in modalità MILD. Codice: Heart in grado di predire l'assenza di un fronte di fiamma tipico della combustione tradizionale e l'omogeneità del campo di temperatura. Complicando le cose, siamo in grado di simulare un bruciatore operante in condizioni di combustione non convenzionale MILD . Il codice heart è in grado di predire come è visibile dai profili di temperatura sketch in figura l’assenza di un fronte di fiamma e l’omogeneità del campo di temperatura tipico della MILD.

Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Hydrogen / Air Supersonic Combustion in Hyshot SCRAMJETS Fuel Injection 3D flow structures and species concentration in supersonic combustion Esempio di combustione dell’idrogeno in condizioni supersoniche tipiche applicazioni degli scram jet (razzi a propulsione) aereospaziale, il dominio computazionale è la parte in rosso imulazione scetch dei risultati dove evidenziato le iso superfici del radicale OH (specie chiave per l’attivazione del processo) OH mass fraction

"Turbulent Combustion Modelling and Simulation" Eugenio Giacomazzi "Combustion Chemistry and Fluidynamics" Ph.D. Course - Anacapri, 5-9 October 2009 Laboratory Scale Bluff-Body Burner: Effects of Forced Acoustic Waves onto a Premixed Flame Fields without coaxial sound waves Fields with coaxial sound waves. Vorticity Vorticity 10 Pa, 20 kHz Premixed CH4/Air burner in ENEA’s laboratory. Utilizzo di onde acustiche nelle applicazioni di processi di stabilizzazione e controllo di fiamme. A sinistra tipica fiamma iniziale con Bluff. A destra introduzione di onde acustiche. Axial Velocity Axial Velocity In fine ultimo esempio riguarda l’utilizzo delle onde acustiche nelle applicazioni dei processi di stabilizzazione e controllo di fiamme. La sinistra è una tipica fiamma iniziale in cui c’è blaff oggetto per stabilizzazione di fiamma sulla destra si mostra l’effetto in contemporanea di questo oggetto con onde acustiche.che porta ad incremento di stabilizzazione.

Scienza dei Materiali Computazionale Principali Attività: Storage dell’idrogeno: MgH2 Membrane metalliche per la produzione di idrogeno Interazione organico-inorganico: peptide su nanotubo Sistemi AX2 liquidi e amorfi: SiSe2, GeSe2, GeS2, etc Ordine icosaedrico in metalli sottoraffreddati Acqua supercritica, graphani, etc etc Fotovoltaico CODICI: CPMD (Car-Parrinello Molecular Dynamics), CP2K GROMACS (GROningen MAchine for Chemical Simulations) Homemade per gli intermetallici e semiconduttori Come si dispongono metalli come particoare geometria Sise silicon selenide

Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Storage dell’idrogeno (automotive applications) Desorbimento idrogeno: interfaccia Mg-MgH2 Esperimento Enea On the left scanning electron microscope image of the hydrogen desorption from magnesium hydride (MgH2). On the right, the numerical model for the atomic simulation of the chemical and physical processes at the interface between MgH2 and Mg during hydrogen desorption. Codice: CPMD Starting configuration : Mg: 72 atoms, MgH2:60 Mg atoms + 120 H atoms

Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Studio sulla diffusione dell’idrogeno su interfaccia idruro di magnesio-Magnesio e ruolo del ferro come catalizzatore mobilità degli atomi di idrogeno (dinamica a livello atomico) al variare di T

Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Desorbimento idrogeno: interfaccia Mg-MgH2 Snapshot dell’interfaccia per le varie T

Peptide su nanostrutture di carbonio Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Peptide su nanostrutture di carbonio Interazione: Organico – Inorganico, dinamica molecolare classica

Peptide su nanostrutture di carbonio Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Peptide su nanostrutture di carbonio Organico - Inorganico: dinamica molecolare classica The increasing request for downsizing in microelectronics, implies the development of new materials able to mimic processes which spontaneously occur in organic or biological domains. Atomic level characterization of the adhesion of a polypeptide molecule on a carbon nanotube.

Peptide su nanostrutture di carbonio Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Peptide su nanostrutture di carbonio Organic - Inorganic: dinamica molecolare ab-initio

Sistemi AX2 liquidi e amorfi Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Sistemi AX2 liquidi e amorfi Highly ionic conductive materials The concept of short range order is largely developed to describe disordered systems, since it is based on the idea that structural correlations do not extend beyond the first shell of neighbours. However, a more extended level of structural order involving atomic nanostructures can be found in disordered network forming systems, as those belonging to the AX2 family (A= Si, Ge ; X=O, Se, S). Experimentally this long range order manifests itself through the appearance of a first sharp diffraction peak in the total structure factor. properties.

Sistemi AX2 liquidi e amorfi Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Sistemi AX2 liquidi e amorfi Highly ionic conductive materials The concept of short range order is largely developed to describe disordered systems, since it is based on the idea that structural correlations do not extend beyond the first shell of neighbours. However, a more extended level of structural order involving atomic nanostructures can be found in disordered network forming systems, as those belonging to the AX2 family (A= Si, Ge ; X=O, Se, S). Experimentally this long range order manifests itself through the appearance of a first sharp diffraction peak in the total structure factor. properties.

Rame liquido e sottoraffreddato Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Rame liquido e sottoraffreddato uno schema di particella singola tipo tight-binding. (TB)

Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Photovoltaic applications: organic solar cells Polymer solar cells are considered to be a potential candidate to solve the problem of the growing need of renewable, cost-effective energy sources. The maximum open circuit voltage for polymer solar cells is related to the difference between the HOMO of the electron donor and the LUMO of the electron acceptor. We implemented a theoretical approach to design fullerene derivatives to be used as electron acceptor in polymer solar cells. We calculated the LUMO levels of fullerene derivatives successfully used as electron acceptors and we correlated the obtained values with the Voc of the corresponding device.

Modellistica climatica Attività principale: Studi e valutazioni sul potenziale energetico delle correnti marine Modelli: Protheus (proprietario): modello climatico a scala regionale per la regione Mediterranea - prevedere, con sufficiente dettaglio spaziale e temporale, il clima sulla regione mediterranea. MedMIT: modello di circolazione del Mediterraneo Il nucleo principale del sistema predittivo Protheus è costiuito da due modelli numerici: uno che simula la dinamica dell’atmosfera ed il suolo, ed uno che simula la dinamica del Mar Mediterraneo. I due modelli sono accoppiati dinamicamente per mezzo di un interpolatore capace di scambiare le necessarie informazioni trai due modelli attraverso il protocollo MPI.

Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Dominio computazionale del modello climatico Protheus

Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Dominio computazionale del modello climatico MedMit 2. Dominio computazionale del modello climatico MedMit La batimetria è una branca dell'oceanografia che si occupa della misura delle profondità, della rappresentazione grafica e dello studio morfologico dei fondali marini e lacustri Il modello di circolazione del Mediterraneo (MedMIT), il cui dominio computazionale è mostrato in Figura 2, è basato sul modello di circolazione generale MITgcm sviluppato presso il dipartimento di fisica terrestre del MIT di Boston in particolare il modello è stato decomposto in 200 sottodomini delle dimensioni 20x12. A tale scopo è stato sviluppato per MedMIT un modulo per il “grid-refinement” a due vie (Sannino et al., 2009b). In altri termini è stato sviluppato un driver capace di mettere in comunicazione due diversi modelli oceanografici: MedMIT ed uno specifico, a più alta risoluzione spaziale (1/24°x1/24°), per la regione dello stretto di Gibilterra (Figura 3). Oltre a mettere in comunicazione i due modelli attraverso il protocollo MPI, il driver esegue anche tutte le necessarie interpolazioni spaziali e temporali dei campi dinamici dei due modelli. Il nuovo modello è stato utilizzato per simulare il clima presente ed i suoi risultati sono stati confrontati con quelli prodotti dalla prima versione. Dal confronto è emerso che la migliore descrizione della dinamica dello Stretto si è tradotta in una migliore rappresentazione dell’intera circolazione termoalina del Mediterraneo.   Batimetria del modello MedMit MedMIT è stato eseguito in parallelo, mediante il protocollo MPI; la versione originaria MedMIT ha subito delle modifiche per ottenere una descrizione più dettagliata della dinamica dello Srtetto di Gibilterra e per dimostrare come questa abbia un’influenza sostanziale sulla circolazione termoalina del Mediterraneo Batimetria del modello dello stretto di Gibilterra

Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Visualizzazione 3D di dati del mediterraneo

Fluidodinamica su Cresco HPC System: OpenFOAM e Fluent Wind tunnel simulation for automotive industry Calcolo del coefficiente di resistenza al variare della geometria del veicolo – forma aerodinamica – per ottenere consumi di carburante ridotti Si è riusciti a far girare fino a 2000 core e si è dimostrata la stabilità del codice e la sua alta efficienza 87% Questo riduce i tempi da 62,7 giorni con 1 core a 48 minuti con 2000 Slide 1) Simulazione di un esperimento di galleria del vento per applicazioni nell'industria automobilistica. Si tratta di calcolare il coefficiente di resistenza al variare della geometria del veicolo allo scopo di trovare la forma più aerodinamica ed ottenere, così, consumi di carburante più ridotti. La simulazione è stata fatta su CRESCO con OpenFOAM, codice open source e parallelo. Fluent è qui mostrato solo come riferimento per far vedere che i risultati che si ottengono con OpenFOAM concordano con quelli di Fluent su un benchmark standard. Le cose importanti da dire sono: a) OpenFOAM è open source, quindi gratis cioè senza costo di licenze; b)il caso era alquanto grande, di circa 30 milioni di celle; c)grazie a CRESCO che mette a disposizione migliaia di core, un file system parallelo molto efficiente (GPFS) e una rete di interconessione a larga banda e bassa latenza (InfiniBand), siamo riusciti a far girare il caso in parallelo fino a 2000 core e abbiamo dimostrato che il codice è scalabile ed ha un'alta efficienza (87%); d) questo riduce molto i tempi (vedi tabella) per completare una simulazione: da 62.7 giorni con 1 core, fino a 48 minuti con 2000 core. Quindi il concetto importante è che un'azienda che utilizza i molti core CRESCO ridurrà di molto i tempi per fare i suoi esperimenti e questo le permetterà di migliorare la produzione sul mercato.

Fluidodinamica su Cresco HPC System: Energy efficiency in building OpenFOAM e Fluent Benchmark 3D room Energy efficiency in building E' un caso di studio di un flusso di aria all'interno di una stanza con delle finestre e dei pilastri. Il flusso è supposto incomprimibile e turbolento. Questo caso è più piccolo del precedente perché ha richiesto circa 5 milioni di celle. Anche in questo caso si è usato OpenFOAM in parallelo con 64 core. Questo caso è stato un esperimento per progettare simulazioni nel campo dell'edilizia, per esempio per studiare la disposizione degli ostacoli per ottimizzare la circolazione del flusso dell'aria, ottimizzarne gli scambi termici e migliorare così l'efficienza energetica di un edificio.

Enea HPC: industria e consorzi Air flow dynamics and temperature inside new train cars CETMA http://www.cetma.it Simulazione flussi di aria nei vagoni ferroviari CETMA

Enea HPC: industria e consorzi Hydrofoil flow simulation CETMA http://www.cetma.it Configurazione di una struttura alare da adattarsi sotto la cinghia di imbarcazioni di tipo trimarano T-Foil Simulazioni particolari di un CATAMARANO (Tipo di calcolo HPC) Simulazioni particolari di FLUIDODINAMICA COMPUTAZIONALE PER LA PROGETTAZIONE NAVALE NELL’AMBITOP DEL PROGETTO SINAVE, è STATA STUDIATA UNA CONFIGURAZIONE DI STRUTTURA ALARE DA ADATTARSI SOTTO LA CINGHIA DI IMBARCAZIONI DI TIPO TRIMARANO T-FOIL

Enea HPC: industria e consorzi Test di un’applicazione industriale Aviogroup http://www.aviogroup.com Avio Group OpenFOAM applications in supersonic CFD simulations.

Enea HPC: Realtà virtuale Beni culturali Lo scopo della visualizzazione tridimensionale virtuale è la ricostruzione, tramite l’ausilio di un calcolatore, di una scena con dati provenienti da un esperimento sia reale che simulato.

Laser scanner technologies and 3D models integration: analysis and methodological approach Scansione Laser 3D Il Laser Scanner 3D "ambientale" integrato all’interno della Grid-ENEA e dell'infrastruttura di grafica avanzata è utilizzato per l’acquisizione di edifici, impianti o aree archeologiche anche di notevoli dimensioni. Con il termine “scansione 3D” si intende la creazione di un modello digitale tridimensionale che rappresenti fedelmente le caratteristiche di forma e di colore di un oggetto 3D. Il modello tridimensionale, ottenuto dalla scansione, rappresenta una vera e propria banca dati, che permette di estrapolare informazioni morfologiche e geometriche; elaborando la “nuvola di punti”, si possono estrarre piante, sezioni, alzati dell'edificio, impianto o area, che successivamente verranno trasformati in formato CAD. 3D models Laser Scanner Systems in ENEA ITR (Imaging Topological Radar) developed by ArtVisLab-ENEA HDS3000 by Leica-Geosystem VIVID 900 by MINOLTA Desktop 3D Scanner by NextEngine

Visualization of 3D laser scanner data from an archaeological site using OpenSceneGraph Laser scanning Juvanum by HDS3000 19 Scansioni 16.589.664 punti Valori di XYZ riflettenza e colore Acquisizione di coord.GPS VISUALIZATION OF A SET OF MILLIONS OF POINTS OSG viewer: Currently there are commercial software capable to display a large amount of data in “near realtime”, but we were oriented to an “open source” solution using our ENEA-GRID, the OpenSceneGraph libraries and the powerful viewer. Distances evaluation: Integrating the ANN library in the OSG viewer code, it was possible to impolement a tool for evaluating distances between points in the 3D scene.

Grazie per l’attenzione marta.chinnici@enea.it 37 37