SPH high-performance computing simulations of rigid solids impacting the free-surface of water Calcul haute performance de l'impact de corps solides sur la surface libre de l'eau par la méthode SPH PIERRE
ABSTRACT
Numerical simulations of water entries based on a three-dimensional parallelized Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) model developed by EcoleCentrale Nantes are presented. The aim of the paper is to show how such SPH simulations of complex 3D problems involving a free surface can be performed on a super computer like the IBM Blue Gene/L with 8,192 cores of Ecole polytechnique fédérale de Lausanne. The present paper thus presents the different techniques which had to be included into the SPH model to make possible such simulations. Memory handling, in particular, is a quite subtle issue because of constraints due to the use of a variable-h scheme. These improvements made possible the simulation of test cases involving hundreds of million particles computed by using thousands of cores. Speedup and efficiency of these parallel calculations are studied. The model capabilities are illustrated in the paper for two water entry problems, firstly, on a simple test case involving a sphere impacting the free surface at high velocity; and secondly, on a complex 3D geometry involving a ship hull impacting the free surface in forced motion. Sensitivity to spatial resolution is investigated as well in the case of the sphere water entry, and the flow analysis is performed by comparing both experimental and theoretical reference results. RÉSUMÉ La simulation numérique de l'impact d'un solide sur une surface libre d'eau faisant appel à la méthode Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) par un modèle 3D parallèle développé par l'Ecole Centrale Nantes est présentée. Le but de 1'article est de montrer comment de telles simulations SPH de problèmes tri-dimensionnels complexes à surface libre peuvent être conduites dans le domaine du Calcul Haute Performance sur un super calculateur tel que 1'IBM Blue Gene/L de l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, doté de 8,192 coeurs. Cet article présente ainsi les différentes techniques apportées au modèle SPH pour le rendre apte à de telles simulations. La gestion de la mémoire, en particulier, est assez délicate de par l'utilisation de la longueur de lissage variable h. Cette nouvelle gestion de la mémoire a permis la simulation de cas-tests contenant des centaines de millions de particules réparties sur plusieurs milliers de coeurs. L'efficacité et l'accélération de ces simulations parallèles sont étudiées. Les capacités du modèle sont illustrées dans ce papier sur deux exemples d'impact sur la surface libre. Le premier exemple représente le cas simple d'une sphère rigide chutant dans l'eau à grande vitesse. Le second exemple met en avant la possibilité de simuler des géométries plus complexes telles l'impact de la coque d'un bateau sur l'eau en mouvement forcé. Dans le cas de l'impact de la sphère, la sensibilité à la résolution spatiale utilisée a été aussi étudiée, et une a...