Las fuertes lluvias pueden hacer que los ríos y los sistemas de drenaje se desborden o que se rompan las presas. provocando inundaciones que causan daños a la propiedad y los sistemas de carreteras, así como la posible pérdida de vidas humanas.

Uno de esos eventos en 2008 costó $ 10 mil millones en daños para todo el estado de Iowa. Después del diluvio el Iowa Flood Center (IFC) de la Universidad de Iowa (UI) se estableció como el primer centro en los Estados Unidos para la investigación y la educación avanzadas relacionadas con las inundaciones.

Hoy dia, Los modelos de inundación 2-D simplificados son el estado del arte para predecir la propagación de ondas de inundación, o cómo las inundaciones se extienden por la tierra. Un equipo de IFC, dirigido por el profesor de UI George Constantinescu, está creando modelos de inundación no hidrostáticos en 3-D que pueden simular con mayor precisión la propagación de la ola de inundación y tener en cuenta la interacción entre la ola de inundación y grandes obstáculos como presas o muros de llanuras aluviales. Estos modelos 3-D también se pueden utilizar para evaluar y mejorar las capacidades predictivas de los modelos 2-D que utilizan las agencias gubernamentales y las empresas consultoras para predecir cómo se propagarán las inundaciones y los riesgos y peligros asociados.

Usando una de las supercomputadoras más poderosas del mundo, Titán, el Cray XK7 de 27 petaflop en las instalaciones de computación de liderazgo de Oak Ridge (OLCF):el equipo de Constantinescu realizó una de las primeras 3-D, Simulaciones de Navier-Stokes (RANS) de volumen de fluido promediado por Reynolds de una rotura de presa en un entorno natural. La simulación permitió al equipo mapear niveles de agua precisos para eventos de inundaciones reales a lo largo del tiempo. RANS es un método ampliamente utilizado para modelar flujos turbulentos.

"Eventos de inundaciones, como los generados por roturas de presas, puede ser computacionalmente muy costoso de simular, "Dijo Constantinescu." Anteriormente, no había suficiente potencia de computadora para hacer este tipo de simulaciones precisas en el tiempo en grandes dominios computacionales, pero con el poder de la informática de alto rendimiento [HPC] y Titan, estamos logrando más de lo que antes se creía posible ".

El proyecto fue apoyado en 2015 y 2016 dentro del programa de usuarios discrecionales del Director de la OLCF. La OLCF, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. ubicada en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE, proporciona recursos de HPC para proyectos de investigación y desarrollo para promover el descubrimiento científico.

Las simulaciones en 3-D del equipo mostraron que los modelos 2-D de uso común pueden predecir de manera inexacta algunos aspectos de las inundaciones, como el tiempo durante el cual los niveles de inundación peligrosos duran en ciertos lugares y la cantidad de área de superficie inundada. Los resultados de la simulación también demostraron que los modelos 2-D pueden subestimar la velocidad a la que se propagan las inundaciones y sobreestimar el momento en que las olas alcanzan su punto más alto.

Cuando las fuentes de agua que desembocan en un río crecen simultáneamente, pueden desencadenar una o más inundaciones sucesivas. Precisión del 1-D, 2-D, o modelos de inundación 3-D que rastrean cómo se mueven estas olas es crucial para predecir la profundidad máxima de inundación, condiciones peligrosas, y otras variables.

"Necesitamos saber qué sucederá en situaciones en las que se rompa una presa, ", Dijo Constantinescu." Necesitamos saber quién se verá afectado, cuánto tiempo tendrán para evacuar, y qué más podría sucederle al medio ambiente como resultado ".

Debido a que los modelos 2-D hacen suposiciones simplificadas sobre algunos aspectos del flujo, no pueden dar cuenta de los cambios en el flujo, como cuando la ola de la inundación se mueve alrededor de grandes obstáculos, cambia rápidamente de dirección, o sumerge completamente las cubiertas de los puentes. El equipo necesitaba una supercomputadora de clase líder para ejecutar las simulaciones en 3-D y capturar con precisión estos cambios.

Titán cambia la corriente

Usando un solucionador RANS 3-D totalmente no hidrostático, el equipo realizó las primeras simulaciones de la hipotética falla de dos presas de Iowa:la presa Coralville en Iowa City y la presa Saylorville en Des Moines. Cada uno utilizó una cuadrícula computacional de aproximadamente 30-50 millones de celdas y cubrió un área física de aproximadamente 20 millas por 5 millas.

El equipo utilizó el software de dinámica de fluidos computacional de última generación STAR-CCM +. Este software presenta un método de volumen de fluido para rastrear la posición de la superficie libre del agua, las áreas donde el agua se encuentra con el aire. En un estudio de escalabilidad, el equipo determinó el rendimiento máximo del código para las simulaciones de rotura de presas. Los investigadores utilizaron 2, 500 procesadores de CPU de Titan para un rendimiento máximo en cada simulación.

Los investigadores también calcularon los mismos casos de prueba de rotura de presas utilizando un modelo 2-D estándar comúnmente utilizado por IFC. Cuando compararon los resultados 2-D con los de las simulaciones 3-D, encontraron que el modelo 2-D subestimó la rapidez con que la ola de inundación se movió a través de la tierra y sobrestimó el momento en que ocurrió la inundación máxima. Este hallazgo es importante porque las agencias gubernamentales y las empresas consultoras utilizan modelos de flujo superficial 2-D para predecir roturas de presas e inundaciones. así como para estimar los peligros de inundaciones.

"Al realizar estas simulaciones en 3-D, proporcionamos un enorme conjunto de datos que se puede utilizar para mejorar la precisión de los modelos de inundación 2-D y 1-D existentes, "También podemos examinar la efectividad de desplegar estructuras de protección contra inundaciones para diferentes escenarios de inundación", dijo Constantinescu. El equipo finalmente demostró que la HPC se puede usar con éxito para responder preguntas de ingeniería relacionadas con las consecuencias de fallas estructurales de presas y peligros relacionados.

Constantinescu dijo que a medida que las computadoras se vuelven más rápidas y poderosas, Será posible realizar simulaciones de inundaciones totales en regiones físicas más extensas. Cumbre, la supercomputadora de próxima generación de la OLCF que está programada para entrar en línea en 2018, Descubrirá nuevas posibilidades para la investigación de Constantinescu.

"Avances en algoritmos numéricos, generación automática de red, y el aumento de la potencia de la supercomputadora eventualmente hará posible las simulaciones de olas de inundación durante grandes períodos de tiempo utilizando Titán, y más aún con Summit, "Dijo Constantinescu." Eventualmente, cosas que antes teníamos que hacer a mano, como generar una cuadrícula computacional de alta calidad, será parte del paquete de software típico ".