Kraftiga nederbörd kan göra att floder och dräneringssystem svämmar över eller att dammar går sönder, leder till översvämningar som orsakar skador på egendom och vägsystem samt potentiella förluster av människoliv.

En sådan händelse 2008 kostade 10 miljarder dollar i skadestånd för hela delstaten Iowa. Efter översvämningen, Iowa Flood Center (IFC) vid University of Iowa (UI) etablerades som det första centret i USA för avancerad översvämningsrelaterad forskning och utbildning.

I dag, förenklade 2-D översvämningsmodeller är den senaste tekniken för att förutsäga översvämningsvågornas utbredning, eller hur översvämningar spred sig över land. Ett team på IFC, ledd av UI-professor George Constantinescu, skapar 3-D icke-hydrostatiska översvämningsmodeller som mer exakt kan simulera översvämningsvågornas utbredning och redogöra för interaktionen mellan översvämningsvågen och stora hinder som dammar eller översvämningsväggar. Dessa 3D-modeller kan också användas för att bedöma och förbättra förutsägbarheten hos de 2D-modeller som statliga myndigheter och konsultföretag använder för att förutsäga hur översvämningar kommer att spridas och de tillhörande riskerna och farorna.

Med hjälp av en av världens mest kraftfulla superdatorer – Titan, 27-petaflop Cray XK7 vid Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF)—Constantinescus team utförde en av de första mycket lösta, 3-D, volym-of-fluid Reynolds-medelvärde Navier-Stokes (RANS) simuleringar av ett dammbrott i en naturlig miljö. Simuleringen gjorde det möjligt för teamet att kartlägga exakta vattennivåer för faktiska översvämningshändelser över tid. RANS är en mycket använd metod för att modellera turbulenta flöden.

"Översvämningshändelser, som de som genereras av dammbrott, kan vara beräkningsmässigt mycket dyrt att simulera, " sade Constantinescu. "Tidigare, det fanns inte tillräckligt med datorkraft för att göra den här typen av tidsexakta simuleringar i stora beräkningsdomäner, men med kraften hos högpresterande datorer [HPC] och Titan, vi uppnår mer än vad som tidigare trotts möjligt."

Projektet fick stöd under 2015 och 2016 inom OLCF:s Director's Discretionary user program. OLCF, en US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility belägen vid DOE:s Oak Ridge National Laboratory, tillhandahåller HPC-resurser för forsknings- och utvecklingsprojekt för att främja vetenskaplig upptäckt.

Teamets 3D-simuleringar visade att vanliga 2D-modeller kan förutsäga vissa aspekter av översvämning felaktigt, som den tid under vilken farliga översvämningsnivåer varar på vissa platser och mängden översvämmad yta. Simuleringsresultat visade också att 2D-modeller kan underskatta hastigheten med vilken översvämningar sprider sig och överskatta den tid då översvämningsvågor når sin högsta punkt.

När vattenkällorna som mynnar ut i en flod stiger samtidigt, de kan utlösa en eller flera på varandra följande översvämningsvågor. Noggrannhet av 1-D, 2-D, eller 3-D översvämningsmodeller som spårar hur dessa vågor rör sig är avgörande för att förutsäga maximalt översvämningsdjup, farliga förhållanden, och andra variabler.

"Vi måste veta vad som kommer att hända i situationer där en damm går sönder, " sa Constantinescu. "Vi måste veta vem som kommer att drabbas, hur mycket tid de kommer att ha på sig att evakuera, och vad mer som kan hända med miljön som ett resultat."

Eftersom 2D-modeller gör förenklade antaganden om vissa aspekter av flödet, de kan inte ta hänsyn till förändringar i flödet, som när översvämningsvågen rör sig runt stora hinder, ändras snabbt i riktning, eller helt nedsänker brodäck. Teamet behövde en superdator i ledarskapsklass för att köra 3D-simuleringarna och exakt fånga dessa förändringar.

Titan ändrar strömmen

Med hjälp av en helt icke-hydrostatisk 3D RANS-lösare, teamet utförde de första simuleringarna av det hypotetiska felet i två Iowa-dammar:Coralville Dam i Iowa City och Saylorville Dam i Des Moines. Var och en använde ett beräkningsnät på cirka 30-50 miljoner celler och täckte ett fysiskt område på cirka 20 miles gånger 5 miles.

Teamet använde den toppmoderna mjukvaran för beräkningsvätskedynamik STAR-CCM+. Denna programvara har en volym-of-vätskemetod för att spåra positionen för vattnets fria yta – de områden där vatten möter luften. I en skalbarhetsstudie, teamet fastställde toppprestanda för koden för dammbrottssimuleringarna. Forskarna använde 2, 500 av Titans CPU-processorer för toppprestanda i varje simulering.

Forskarna beräknade också samma dambrottstestfall med hjälp av en standard 2D-modell som vanligtvis används av IFC. När de jämförde 2D-resultaten mot 3D-simuleringarna, de fann att 2D-modellen underskattade hur snabbt översvämningsvågen rörde sig över land och överskattade tidpunkten då den maximala översvämningen inträffade. Detta fynd är viktigt eftersom statliga myndigheter och konsultföretag använder 2D-modeller för grunt flöde för att förutsäga dammbrott och översvämningar, samt att uppskatta översvämningsrisker.

"Genom att utföra dessa 3D-simuleringar, vi tillhandahöll en enorm datamängd som kan användas för att förbättra noggrannheten hos befintliga 2-D och 1-D översvämningsmodeller, ", sa Constantinescu. "Vi kan också undersöka effektiviteten av att installera översvämningsskyddsstrukturer för olika översvämningsscenarier." Teamet visade slutligen att HPC kan användas framgångsrikt för att svara på tekniska frågor relaterade till konsekvenserna av strukturella fel på dammar och relaterade faror.

Constantinescu sa att när datorer blir snabbare och kraftfullare, simuleringar av händelser med full översvämning över större fysiska regioner kommer att vara möjliga. Topp, OLCF:s nästa generations superdator som är planerad att komma online 2018, kommer att upptäcka nya möjligheter för Constantinescus forskning.

"Framsteg inom numeriska algoritmer, automatisk nätgenerering, och ökad superdatorkraft kommer så småningom att göra simuleringar av översvämningsvågor under långa tidsperioder möjliga med hjälp av Titan, och ännu mer med Summit, " sa Constantinescu. "Så slutligen, saker vi tidigare behövde göra för hand, som att generera ett högkvalitativt beräkningsnät, kommer bara att vara en del av det typiska mjukvarupaketet."