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ALCOLO AD ALTE PRESTAZIONI PER LA MODELLISTICA
ELETTROMAGNETICA DI AEROMOBILI
Lo studio dell’interazione tra fulmini e aeromobili è materia di forte interesse per l’industria aeronautica. Un fulmine che colpisce un aereo genera effetti indiretti, derivanti dai campi elettromagnetici associati alla cor-rente elettrica che attraversa la struttura del velivolo. Correnti e voltaggi indotti nei cavi di collegamento tra i dispositivi elettrici ed elettronici possono superare le soglie di sicurezza e compromettere le condizioni dell’aereo. Il tool VAM_LIFE, “Virtual Aircraft ElectroMagnetic Lightning Indirect Effect Evaluation”, è stato sviluppato allo scopo di simulare la propagazione del campo elettromagnetico su un aereo di medie dimensioni colpito da un fulmine. VAM-LIFE simula la struttura di un aereo importandola da un modello CAD in una mesh di celle cubiche. Una griglia tridimensionale di celle riproduce sia la struttura geometrica sia le caratteristiche fisiche dei differenti materiali che compongono l’aereo. Tramite questo tool [1] l’aereo da trasporto C-27J dell’Alenia Aeronautica ha ottenuto la certificazione delle autorità areonautiche europee/mondiali.
Offerta
Allo scopo di effettuare simulazioni su aerei di grandi dimensioni, come anche per adottare modelli fisici con maggiore grado di dettaglio, VAM-LIFE necessita di essere adeguato a un’architettura di calcolo parallelo. Essa, infatti, oltre a consentire una considerevole riduzione dei tempi di esecuzione, permette di simulare velivoli di maggiori dimensioni, cumulando la memoria di più nodi di calcolo. La maggiore disponibilità di memoria, inoltre, rende possibile effettuare simulazioni con un minore passo di discretizzazione, in modo da riprodurre più fedelmente le geometrie del velivolo ed il comportamento dei suoi materiali al passaggio del campo elettromagnetico.
Collaborazioni
Il progetto di parallelizzazione del codice VAM-LIFE è stato realizzato in collaborazione con la Prof.ssa Maria Sabrina Sarto del Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell’Università di Roma la Sapienza e con l’Ale-nia Aeronautica.
La collaborazione con il personale HPC del CASPUR ha permesso una revisione preliminare del codice seriale ed una effettiva parallelizzazione del codice seriale ottimizzato.
Fig. 1 Casistiche di entrata-uscita di un fulmine studiate su un aereo modello C27J.
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Risultati
Il metodo di calcolo FDTD (Finite-Difference Time-Domain), adottato in VAM-LIFE, è una tecnica di modellazione elettrodinamica che fa uso di equazioni di Maxwell, in forma di-pendente dal tempo, applicate a una griglia tridimensionale. La griglia spaziale e l’algoritmo a intervalli temporali usati in FDTD offrono le premesse ideali per una efficiente paralleliz-zazione del codice e per un alto fattore di scaling nelle sue prestazioni.
Una revisione preliminare del codice seriale con porting da Fortran77 a Fortran90 e una ottimizzazione nella gestione dei dati e delle subroutines, ha portato a una considerevole riduzione dei tempi di calcolo della versione seriale (circa del 35%).
Simulazioni sui modelli disponibili e benchmark su griglie di test di grandi dimensioni attestano la capacità del codice parallelo di sfruttare con elevata efficienza le risorse di cal-colo. In risposta alla massiccia richiesta di operazioni di sincronizzazione tra i processi è stato fatto uso di messaggistica asincrona [2]. Questo approccio permette di sfruttare la potenza di calcolo continuativamente, senza attese dovute ai tempi di trasferimento dati.
La versione parallela del codice è stata sviluppata facendo uso di librerie MPI (Message Passing Interface) e implementata considerando le caratteristiche della piattaforma har-dware del cluster Matrix presente al CASPUR. Il codice sviluppato, inoltre, è in grado di de-terminare, in base alle proprietà geometriche ed elettromagnetiche del velivolo, quale sia il criterio più efficiente per ripartire la griglia di simulazione tra i nodi di calcolo.
Bibliografia essenziale
[1] Apra, M., D’Amore, M., Gigliotti, K., Sarto, M.S. (2008). Lightning Indirect Effects Certification of a
Transport Aircraft by Numerical Simulation.IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility 50,
513-523.
[2] Doerfler, D., Brightwell, R. (2006). Measuring MPI Send and Receive Overhead and Application
Availability in High Performance Network Interfaces. In 13thEuropean PVM/MPI Users’ Group
Mee-ting, Bonn, Germany.
Fig. 2 Esempio di ottimizzazione nella ripartizione della griglia in funzione del carico di lavoro previsto per ogni processo.
