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Item Open Access Die Berechnung von Wiedereintrittsphänomenen auf hierarchischen Supercomputern mit einem effizienten parallelen Multiblockverfahren(2007) Bönisch, Thomas; Resch, Michael (Prof. Dr.-Ing.)Wie in vielen Ingenieurwissenschaften sind auch in der Weltraumforschung Computersimulationen ein wichtiger Bestandteil der Forschung geworden. Auch bei der Entwicklung von Raumfahrzeugen spielt die Simulationsrechnung für die Systemauslegung eine wichtige Rolle. Gerade hier ist die Simulationsrechnung besonders wichtig, da Experimente und Messungen mit enormem Aufwand und extremen Kosten verbunden sind. Allerdings ist auch die Simulation von Raumfahrzeugen, hier speziell die Simulation des Wiedereintritts von Orbitern, erheblich aufwändiger als die Simulation eines ''normalen'' Flugzeugs, da neben den aerodynamischen Effekten auch chemische Reaktionen auftreten und in der Simulation berücksichtigt werden müssen. Für die Berechnung solcher Wiedereintrittsströmungen wurde am Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart das Programmpaket URANUS entwickelt. Dieses Programm besaß allerdings den Schwachpunkt, dass bisher nur sogenannte C-Netze zur Berechnung eingesetzt werden konnten, mit denen sich komplexere Raumgleiterkonfigurationen, wenn überhaupt, nur sehr schwer vernetzen lassen. Da die Berechnung von Wiedereintrittsströmungen auch erhebliche Anforderungen an Rechenleistung und Speicherbedarf besitzt, soll das neue Programm auch auf modernsten Supercomputerplattformen ohne Leistungsverlust einsetzbar sein. Um diese Schwachpunkte zu beheben wurde das Programm zur Verwendung von sogenannten Multiblocknetzen erweitert. Dies bedingt allerdings eine völlige Überarbeitung des vorhandenen Simulationsprogramms und zwar sowohl hinsichtlich der verwendeten Datenstrukturen als auch bezüglich des Programmablaufs. Dazu wurden die Eigenschaften der Multiblocknetze genau untersucht und daraus die notwendigen Änderungen des Programms spezifiziert. Zur Integration der Multiblocknetze wurde eine neue Datenstruktur entwickelt, die, soweit möglich, bereits zukünftige Erweiterungen und Verbesserungen zum Beispiel in Richtung Mehrgitterverfahren ermöglicht und berücksichtigt. Die vorhandene Programmstruktur wurde in großen Teilen umgestellt und vor allem die Randbehandlung wurde so erweitert, dass die Randbedingungen unabhängig von der Lage des Blocks im Netz auf all seinen Seiten angewendet werden können. Dies erforderte eine allgemeine Formulierung der Randbedingungen. Für den Einsatz auf einer möglichst breiten Palette moderner Supercomputerplattformen wurde das Multiblockprogramm von vorneherein auf die Verwendung massiv paralleler Systeme ausgelegt. Aber auch eine bereits vorhandene Optimierung für Vektorsysteme wurde weitergeführt. Durch die verschiedenen Größen der in Multiblocknetzen auftretenden Netzblöcke wurde hierbei eine komplexe Lastverteilungsstrategie notwendig. Hierzu wurden Algorithmen entwickelt, die Blöcke je nach Anforderung zerlegen können. Welcher Block welchem Prozess zur Berechnung zugeteilt wird, entscheiden Partitionierungsalgorithmen, die als Tool bereits verfügbar waren und über eine Schnittstelle in das Programm integriert worden sind. Die Schnittstelle dazu wurde so gestaltet, dass hier jederzeit neue Algorithmen einfach integriert werden können. In einem weiteren Teil der Arbeit werden Technologien vorgestellt, die für URANUS entwickelt wurden, um das Strömungssimulationsprogramm effizient in einer Metacomputingumgebung einsetzen zu können. Mit Hilfe des neuen parallelen Multiblock URANUS Verfahrens wurden bereits wichtige Simulationsergebnisse für den Wiedereintritt von modernen Raumgleitern erzielt, die ohne dieses Werkzeug nicht möglich gewesen wären.