Calculando centímetro a centímetro o posible impacto do mar

A simulación do comportamento dun fluído é fundamental para infinidade de cousas: para prever o impacto do incremento do nivel do mar na costa, para estimar se unha planta petrolífera pode soportar un temporal, para analizar se unha inundación por treboada afectaría a unha estrada... Neste eido, o traballo do grupo Ephyslab, Environmental Physics Laboratory, da Universidade de Vigo, tense convertido nun referente internacional co desenvolvemento de DualSPHysics. Este programa permite, aproveitando unha tecnoloxía desenvolvida pola industria dos videoxogos, facer as maiores simulacións de fluídos, como grandes masas de auga, cunha precisión moi elevada, podendo ver o seu comportamento centímetro a centímetro. Polo seu alto rendemento nun tempo de cálculo razoable, de horas, e con medios de computación accesibles, en países como Indonesia, India e Corea do Sur estase a empregar para analizar o impacto de posibles tsunamis e outros fenómenos extremos; en Bélxica para a contención de diques; e entidades públicas ou privadas como Mercedes, Shell e a Nasa o teñen empregado nalgún proxecto.

Segundo explican os seus promotores, a primeira liberación de código de DualSPHysics produciuse en 2010 e na actualidade está dispoñible para a súa descarga de balde a terceira versión do modelo, que ao longo deste tempo foi mellorando co traballo investigador dos grupos implicados e cos desenvolvementos feitos a petición de empresas e entidades. Superadas xa as 25.000 descargas, na actualidade traballan no proxecto un grupo de sete persoas de Ephyslab, lideradas desde o campus de Ourense por Moncho Gómez Gesteira, e un grupo de cinco persoas, coordinadas por Benedict Rogers, da Universidade de Manchester, en Reino Unido, concretamente da Escola de Enxeñaría Mecánica, Civil e Aeroespacial, estando como colaboradoras universidades como a de Gent, Parma, Lisboa e a Politécnica de Cataluña.

Uso de tarxetas gráficas para minimizar custes

Froito dos últimos avances realizados no modelo, o investigador de Ephyslab Anxo Barreiro presentou recentemente no campus de Ourense a súa tese de doutoramento, dirixida por Alejando Jacobo Cabrera Crespo e José Manuel Domínguez Alonso, investigadores tamén no proxecto DualSPHysics. A tese céntrase nas características deste modelo e amosa varios exemplos de aplicación para resolver problemas de enxeñaría civil e de costas. “Todos os procesos na natureza atenden a unha serie de leis que poden ser descritas con fórmulas matemáticas. Estas ecuacións poden ser moi complicadas ou incluso case imposibles de resolver nun tempo razoable”, explica o xa doutor. Para enfrontar este tipo de problemas está o modelado numérico. No caso de DualSPHysics emprégase un código baseado no método Smoothed Particle Hydrodynamics SPH, un método computacional para a resolución de problemas de dinámica fluídos.

DualSPHysics, sinala Barreiro Aller, destaca porque pode ser executado non só en CPU senón tamén en GPU, en tarxetas gráficas, dependendo da dispoñibilidade de hardware que teña o usuario. “Aproveitamos o rendemento e o espazo de memoria que proporciona a nova tecnoloxía das tarxetas gráficas, desenvolvidas pola industria dos videoxogos. Investigacións que antes requirían o uso de custosos centros de cálculo poden ser levadas a cabo agora con tecnoloxía barata e de fácil acceso”, comenta. As aceleracións conseguidas permiten o estudo de problemas de enxeñaría reais e complexos nun tempo computacional razoable, sendo capaces de simular millóns de partículas en horas. Tal e como subliña o investigador, as GPU convértense así nunha alternativa accesible para acelerar os métodos SPH, usando un potente modelo de programación en paralelo onde as tarxetas gráficas se usan como dispositivo de execución. Deste xeito, o código DualSPHysics está escrito en C++ e CUDA, linguaxe de programación para as GPU. Por este desenvolvemento, o grupo Ephyslab ten na actualidade a categoría de CUDA Research Center, outorgado pola empresa NVDIA, que controla máis do 85% do mercado mundial das tarxetas gráficas.

Desde inundacións en estradas a amarres de aeroxeradores

Na súa tese, Anxo Barreiro presenta varios exemplos modelo de aplicación de DualSPHysics para resolver problemas de enxeñaría civil e de costas, exemplos validados con datos experimentais e outros modelos numéricos. Tendo en conta os efectos da subida do mar e dos temporais na costa, unha das funcionalidades de DualSPHysics céntrase neste aspecto. “DualSPHysics demostrou ser un modelo preciso e capaz de reproducir adecuadamente a propagación de ondas preto da costa e o impacto contra estruturas, como mobiliario urbano de paseos marítimos”, indica. O modelo, recalca, é apto para avaliar eventos nos que a auga impacta contra unha estrutura e casos nos que é necesario a propagación de ondas.

Outra das aplicacións nas que o programa ten amosado a súa eficiencia, tal e como recolle a tese, é nas cada vez máis comúns estruturas situadas mar a dentro para a extracción de gas e petróleo ou para o aproveitamento de enerxías renovables. Estes elementos, comenta Barreiro Aller, sitúanse en lugares onde as condiciones do mar fan imposible o uso de soportes fixos, polo que se empregan amarres. “Implementamos en DualSPHysics as funcionalidades necesarias para simular os amarres. Esta nova implementación é capaz de resolver de maneira correcta as forzas das cadeas e os efectos dos amarres nos obxectos flotantes”, explica. Grazas a este programa pódese prever o comportamento ante as ondas de, por exemplo, un barco amarrado cunha soa liña ou dunha base dun aeroxerador mariño con múltiples amarres.

Nunha das últimas funcionalidades creadas DualSPHysics amosa ser unha ferramenta capaz de describir as inundacións provocadas por tormentas en áreas achegadas a estradas e avaliar a eficiencia de medidas deseñadas para mitigar estas emerxencias, empregando para elo fotogrametría UAV obtida con drones. “A ferramenta resultante pode ser aplicada a múltiples problemas de enxeñaría civil e proporcionar máis información que a típica solución que dan os Sistemas de Información Xeográfica, que é incapaz de representar o comportamento real do fluído”, explica o investigador.

A piques de sacar a cuarta versión de DualSPHysics e xa traballando na quinta, os investigadores do grupo ourensán veñen de estar en Manchester impartindo un seminario ao que asistiron usuarios do programa de diferentes partes do mundo, desde Brasil á India. “Arredor de DualSPHysics xa existe unha comunidade que intercambia coñecementos, que desenvolve novas funcionalidades. Este tipo de reunións permítennos avanzar novidades, solucionar dúbidas, ver demandas, etc.”, comenta o doutor, que xunto a outros investigadores de Ephyslab puxo en marcha a finais de 2014 a spin-off universitaria Environmental Physics Technologies (Ephytech).