Le forti piogge possono causare lo straripamento di fiumi e sistemi di drenaggio o la rottura di dighe, portando a eventi alluvionali che causano danni a proprietà e sistemi stradali, nonché potenziali perdite di vite umane.

Uno di questi eventi nel 2008 è costato $ 10 miliardi di danni per l'intero stato dell'Iowa. Dopo il diluvio, l'Iowa Flood Center (IFC) presso l'Università dell'Iowa (UI) è stato istituito come il primo centro negli Stati Uniti per la ricerca e l'istruzione avanzate relative alle inondazioni.

Oggi, modelli di inondazione 2-D semplificati sono lo stato dell'arte per prevedere la propagazione delle onde di piena, o come le inondazioni si diffondono sulla terra. Una squadra all'IFC, guidato dal professore dell'UI George Constantinescu, sta creando modelli di inondazione non idrostatici in 3D che possono simulare in modo più accurato la propagazione delle onde di piena e tenere conto dell'interazione tra l'onda di alluvione e grandi ostacoli come dighe o pareti di pianura alluvionale. Questi modelli 3D possono anche essere utilizzati per valutare e migliorare le capacità predittive dei modelli 2D che le agenzie governative e le società di consulenza utilizzano per prevedere come si diffonderanno le inondazioni e i rischi e pericoli associati.

Utilizzando uno dei supercomputer più potenti del mondo:Titan, il 27-petaflop Cray XK7 presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF)—il team di Constantinescu ha eseguito uno dei primi altamente risolti, 3-D, simulazioni di Navier-Stokes (RANS) mediate da Reynolds del volume di fluido di una diga in un ambiente naturale. La simulazione ha permesso al team di mappare livelli precisi dell'acqua per eventi di inondazione reali nel tempo. RANS è un metodo ampiamente utilizzato per la modellazione di flussi turbolenti.

"Eventi alluvionali, come quelli generati da rotture di dighe, può essere computazionalmente molto costoso da simulare, " Constantinescu ha detto. "In precedenza, non c'era abbastanza potenza del computer per fare questo tipo di simulazioni accurate nel tempo in grandi domini computazionali, ma con la potenza del calcolo ad alte prestazioni [HPC] e Titan, stiamo ottenendo più di quanto si ritenesse possibile".

Il progetto è stato sostenuto nel 2015 e nel 2016 nell'ambito del programma utente discrezionale del direttore dell'OLCF. L'OLCF, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) situata presso l'Oak Ridge National Laboratory del DOE, fornisce risorse HPC per progetti di ricerca e sviluppo per far progredire la scoperta scientifica.

Le simulazioni 3D del team hanno mostrato che i modelli 2D comunemente usati possono prevedere in modo impreciso alcuni aspetti delle inondazioni, come il tempo durante il quale i livelli di alluvione pericolose durano in determinate località e la quantità di superficie allagata. I risultati della simulazione hanno anche dimostrato che i modelli 2-D possono sottovalutare la velocità con cui si diffondono le inondazioni e sovrastimare il momento in cui le onde di piena raggiungono il loro punto più alto.

Quando le sorgenti d'acqua che si svuotano in un fiume salgono contemporaneamente, possono innescare una o più ondate di piena successive. Precisione della 1-D, 2-D, o modelli di inondazione 3D che tracciano come si muovono queste onde è fondamentale per prevedere la profondità massima dell'inondazione, condizioni pericolose, e altre variabili.

"Dobbiamo sapere cosa accadrà per le situazioni in cui una diga si rompe, " Constantinescu ha detto. "Dobbiamo sapere chi sarà colpito, quanto tempo avranno per evacuare, e cos'altro potrebbe accadere all'ambiente di conseguenza".

Poiché i modelli 2D fanno ipotesi semplificate su alcuni aspetti del flusso, non possono tenere conto dei cambiamenti nel flusso, come quando l'onda di piena si muove attorno a grandi ostacoli, cambia rapidamente direzione, o immerge completamente i ponti del ponte. Il team aveva bisogno di un supercomputer di classe dirigente per eseguire le simulazioni 3D e catturare con precisione questi cambiamenti.

Titan cambia la corrente

Utilizzando un risolutore RANS 3D completamente non idrostatico, il team ha eseguito le prime simulazioni dell'ipotetico cedimento di due dighe dell'Iowa:la diga di Coralville a Iowa City e la diga di Saylorville a Des Moines. Ciascuno utilizzava una griglia computazionale di circa 30-50 milioni di celle e copriva un'area fisica di circa 20 miglia per 5 miglia.

Il team ha utilizzato il software di fluidodinamica computazionale all'avanguardia STAR-CCM+. Questo software presenta un metodo del volume del fluido per tracciare la posizione della superficie libera dell'acqua, le aree in cui l'acqua incontra l'aria. In uno studio di scalabilità, il team ha determinato le prestazioni di picco del codice per le simulazioni di rottura della diga. I ricercatori hanno utilizzato 2, 500 processori CPU di Titan per le massime prestazioni in ogni simulazione.

I ricercatori hanno anche calcolato gli stessi casi di test di rottura della diga utilizzando un modello 2D standard comunemente utilizzato da IFC. Quando hanno confrontato i risultati 2-D con quelli delle simulazioni 3-D, hanno scoperto che il modello 2-D ha sottostimato la velocità con cui l'onda di inondazione si è spostata attraverso la terra e ha sovrastimato il momento in cui si è verificata la massima alluvione. Questa scoperta è importante perché le agenzie governative e le società di consulenza utilizzano modelli di flusso superficiale 2-D per prevedere rotture di dighe e inondazioni, nonché per stimare i rischi di alluvione.

"Eseguendo queste simulazioni 3D, abbiamo fornito un enorme set di dati che può essere utilizzato per migliorare l'accuratezza dei modelli di alluvione 2-D e 1-D esistenti, " Constantinescu ha detto. "Possiamo anche esaminare l'efficacia della distribuzione di strutture di protezione dalle inondazioni per diversi scenari di inondazioni".

Constantinescu ha affermato che man mano che i computer diventano più veloci e potenti, saranno possibili simulazioni di eventi di piena su regioni fisiche più vaste. Vertice, il supercomputer di nuova generazione dell'OLCF che dovrebbe entrare in funzione nel 2018, porterà alla luce nuove possibilità per la ricerca di Constantinescu.

"I progressi negli algoritmi numerici, generazione automatica della rete, e l'aumento della potenza del supercomputer alla fine renderà possibili le simulazioni di onde di piena per lunghi periodi di tempo utilizzando Titano, e ancora di più con Summit, " disse Constantinescu. "Alla fine, cose che prima dovevamo fare a mano, come la generazione di una griglia computazionale di alta qualità, farà solo parte del tipico pacchetto software."