Interactive parallel post-processing of simulation results on unstructured grids

Abstract

Numerical simulations and the assessment of their results are constantly gaining importance in product design and optimization workflows in many different fields of engineering. The availability of massively parallel manycore computing resources enables simulations to be executed with accuracies posing very high requirements on the methods for interactive post-processing of the simulation results. A traditional post-processing of such large-scale simulation datasets on single workstations is often no longer possible due to the limited resources such as main memory, the low number of compute cores and the available network bandwidth to the simulation cluster.

In this work, concepts and solutions are presented that enable interactive post-processing of large-scale datasets generated by fluid dynamic simulations on unstructured grids through the use of parallel manycore environments. A software architecture the parallel post-processing and visualization, as well as specific optimizations of frequently used methods for post-processing are introduced that enable the interactive use of parallel manycore resources.

The implementation of the methods and algorithms is based on existing manycore devices in the form of programmable graphics hardware, which are no longer solemnly usable for computer graphics applications, but are getting increasingly interesting for general purpose computing. It will be shown, that methods for visualization of fluid simulation data such as the interactive computation of cut-surfaces or particle traces is made possible even for large-scale unstructured data. Additionally, an algorithm for the dense texture-based visualization of flow fields will be introduced that combines the presented methods for the extraction of cut-surfaces, isosurfaces and particle tracing. This algorithm for line integral convolution enables the interactive post-processing of flow fields on partitioned and distributed unstructured grids.

The methods introduced in this thesis are evaluated using several large-scale simulation datasets from different fields of engineering in scientific and industrial applications.

Numerische Simulationen und deren Auswertung gewinnen in Produktdesign und Produktoptimierung im ingenieurwissenschaftlichen Umfeld stetig an Bedeutung. Durch die Verfügbarkeit massiv paralleler Manycore Rechenressourcen werden diese Simulationen in einer Genauigkeit ermöglicht, welche sehr hohe Anforderungen an die Methoden der interaktiven Nachbearbeitung der jeweiligen Ergebnisse stellt. So ist wegen des hohen Datenaufkommens oft eine herkömmliche Nachbearbeitung auf einzelnen Workstations, aufgrund der dort vorhandenen Ressourcen wie Speichermenge, Anzahl an Prozessorkernen sowie der verfügbaren Netzwerkbandbreite zum Simulationscluster, nicht mehr möglich.

In dieser Arbeit werden Konzepte und Lösungen vorgestellt, mit denen eine interaktive Nachbearbeitung großer Datenmengen aus Strömungssimulationen auf unstrukturierten Gittern durch den Einsatz paralleler Manycore Rechenressourcen ermöglicht wird. Hierbei wird sowohl eine Softwarearchitektur für die parallele Nachbearbeitung und Visualisierung vorgestellt, als auch konkrete Optimierungen häufig genutzter Methoden der Nachbearbeitung für den interaktiven Einsatz in parallelen Manycore Umgebungen beschrieben.

Für die Implementierung und Evaluation der verwendeten Methoden und Algorithmen kommt programmierbare Graphikhardware, die nicht mehr ausschließlich für computergraphische Anwendungen, sondern zunehmend auch für generelle Berechnungen eingesetzt wird, als aktuell verfügbare parallele Manycore Ressource zum Einsatz. Es wird gezeigt, dass durch die Verwendung paralleler Graphikhardware Auswertungsmethoden für Strömungssimulationsdaten, wie die Berechnung von Schnitten und Partikelbahnen, auch für sehr große Datensätze auf unstrukturierten Gittern mit interaktivem Antwortzeitverhalten ausgeführt werden können. Außerdem wird ein Verfahren für die texturbasierte Visualisierung von Strömungsfeldern vorgestellt, welches die gezeigten Verfahren zur Schnitt- und Partikelberechnung kombiniert. Dieses Verfahren zur Linienintegralfaltung ermöglicht erstmalig eine interaktive Nachbearbeitung auf verteilten unstrukturierten Gittern.

Die Evaluierung der vorgestellten Verfahren erfolgt mittels der Nachbearbeitung großer Simulationsdatensätze aus Forschnung und industrieller Nutzung in verschiedenen ingenieurwissenschaftlichen Anwendungsgebieten.