L’offerta HPC in ENEA

1. L’offerta HPC in ENEA Opportunità per la ricerca e l’industria Marta Chinnici – Ricercatore ENEA marta.chinnici@enea.it Meeting – KIC ICTLabs Trento, 23 Novembre 2011

2. HPC ENEA: application areas Ingegneria Nucleare Ambiente e Clima Combustione Scienze dei materiali Fluidodinamica Bioinformatica Infrastrutture critiche Beni culturali Efficienza Energetica

3. Il Laboratorio Virtuale è una modalità operativa che intende favorire la collaborazione fra i diversi attori pubblici ed industriali per lo sviluppo di applicazioni innovative e lo scambio di esperienze in un determinato settore. ENEA-GRID & Laboratori Virtuali • I L.V. consentono la fruizione remota di grandi impianti ed apparecchiature e si basano sull’uso delle infrastrutture multimediali di ENEA-GRID e sulla disponibilità via web di tutti i software per il calcolo scientifico necessari all’elaborazione dei dati nei singoli laboratori. • Con questa metodologia gli utenti remoti possono: • vedere, sentire ed interagire con il personale tecnico locale dell’impianto; • Visualizzare e condividere informazioni, software e dati in tempo reale; • Partecipare attivamente durante le sessioni di prova e, ove previsto, prendere il controllo di strumenti ed apparecchiature.

4. ENEA-GRID & Laboratori Virtuali • I laboratori Virtuali attualmente presenti in ENEA sono: • CMAST: Scienza dei materiali computazionali; • Clima; • Fissione nucleare; • Fluidodinamica; • DySCo (structural Dynamics, numerical Simulation, qualification tests and vibration COntrol): focalizzato sull’erogazione di prove e test di resistenza e caratterizzazione dinamica e anti-sismica; • Grafica 3D.

5. Scenario: Modellistica e simulazione della combustione • Nel settore energetico è evidente la necessità di una sinergia tra chi si occupa delle applicazioni e chi ne studia la fisica di base. La Computational Fluid Dynamics (CFD) ha raggiunto uno sviluppo tale da fornire informazioni molto dettagliate sui processi fluidodinamici, irraggiungibili per via sperimentale. In particolare, la Large Eddy Simulation (LES) è in grado di catturare le non stazionarietà di un flusso, l'interazione di larga scala tra turbolenza, combustione ed acustica, e così aprire nuove strade per il controllo dei processi energetici ed il miglioramento della loro efficienza. • La modellistica e la simulazione numerica hanno assunto un ruolo sempre più importante nella progettazione e nello studio delle tecnologie energetiche. • La simulazione numerica viene utilizzata per lo studio di cicli di processo, per la progettazione di componenti e l’analisi delle prestazione degli stessi in termini di rendimento, di emissioni, per la predizione delle concentrazioni degli inquinanti e dei fenomeni non stazionari.

6. ENEA: Modellistica e simulazione della combustione In Enea nell’ambito dello studio e dello sviluppo di tecnologie di combustione, vengono utilizzati principalmente due strumenti CFD: • un codice commerciale (FLUENT), che consente di simulare sistemi di combustione con geometrie molto complesse e problemi di vario tipo (in ambiente RANS); • un codice proprietario (HeaRT, acronimo di Heat Release and Turbulence), che consente di simulare combustione in fase gas e anche multi-fase in geometrie relativamente più semplici, ma che è dotato di una modellistica (sia numerica che fisica) più avanzata ed accurata (in ambiente LES). • Ambedue i codici sono paralleli e sono installati sulla piattaforma di HPC CRESCO disponibile sulla GRID ENEA.

7. Modellistica e simulazione della combustione ATTIVITA’ ENEA: • la ‘MILD combustion’: è una nuova tecnologia di combustione, caratterizzata dall'assenza di un fronte di fiamma visibile, utile per l'abbattimento di inquinanti, tipo NOx(ossidi di azoto). • la combustione di idrogeno e combustibili sintetici (syngas): l'interesse su questi combustibili è legato alle problematiche energetiche/ambientali (in particolare: riduzione dei gas serra). Studi vengono condotti per lo sviluppo di nuovi bruciatori o per la modifica di bruciatori già esistenti. • la gassificazione del carbone: tale processo ha il vantaggio di utilizzare in maniera «pulita» il carbone e di produrre un combustibile gassoso ad alto contenuto di idrogeno • la combustione di slurry di carbone: studio dell’evoluzione e dell’ interazione in un sistema multi fase (particelle solide/fase gassosa).

8. Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO RISULTATI DELLE SIMULAZIONI: • Combustione di una fiamma premiscelata e non, e coinvolgendo diversi tipi di combustibili, dal puro idrogeno a miscele di sintesi con vario contenuto di idrogeno, al gas naturale. • Studio dell’ interazione tra turbolenza e combustione in condizioni di combustione convenzionale ed in nuovi regimi, come quello MILD (flameless). • Studio dell’interazione di fiamme con onde acustiche, per applicazioni in sistemi di controllo;

9. Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Visualizzazione 3D di una fiamma premiscelata (in rosso) di combustibile tradizionale (metano) e aria e mediante iso-superficie di temperatura. La fiamma è stabilizzata dalla zona di ricircolo prodotta dal particolare bruciatore adottato. Il piano trasversale rappresenta la distribuzione del campo di pressione.

10. Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Visualizzazione 3D di una fiamma (verde) non premiscelata di syngas e aria mediante iso-superficie di temperatura. Siamo in grado di studiare l’effetto della turbolenza sulla cinetica del processo ed in particolare di predire le estinzioni di fiamma localizzate prodotte da vortici (rappresentati con linee di corrente) rilasciati in prossimità dell'iniettore.

11. Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Visualizzazione 3D del campo ti temperatura in un combustore operante in modalità MILD. Codice: Heart in grado di predire l'assenza di un fronte di fiamma tipico della combustione tradizionale e l'omogeneità del campo di temperatura.

12. Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Hydrogen / Air Supersonic Combustion in Hyshot SCRAMJETS Fuel Injection 3D flow structures and species concentration in supersonic combustion OH mass fraction

13. Laboratory Scale Bluff-Body Burner: Effects of Forced Acoustic Waves onto a Premixed Flame Fields with coaxial sound waves. Fields without coaxial sound waves Vorticity Vorticity 10 Pa, 20 kHz Premixed CH4/Air burner in ENEA’s laboratory. Utilizzo di onde acustiche nelle applicazioni di processi di stabilizzazione e controllo di fiamme. A sinistra tipica fiamma iniziale con Bluff. A destra introduzione di onde acustiche. Axial Velocity Axial Velocity

14. Scienza dei Materiali Computazionale • Principali Attività: • Storage dell’idrogeno:MgH2 • Membrane metalliche per la produzione di idrogeno • Interazione organico-inorganico: peptide su nanotubo • Sistemi AX2 liquidi e amorfi: SiSe2, GeSe2, GeS2, etc • Ordine icosaedrico in metalli sottoraffreddati • Acqua supercritica, graphani, etcetc • Fotovoltaico • CODICI: • CPMD (Car-ParrinelloMolecular Dynamics), CP2K • GROMACS (GROningenMAchineforChemicalSimulations) • Homemade per gli intermetallici e semiconduttori

15. Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Storage dell’idrogeno (automotiveapplications) Desorbimento idrogeno: interfaccia Mg-MgH2 Esperimento Enea On the left scanning electron microscope image of the hydrogen desorption from magnesium hydride (MgH2). On the right, the numerical model for the atomic simulation of the chemical and physical processes at the interface between MgH2 and Mg during hydrogen desorption. Codice: CPMD Startingconfiguration : Mg: 72 atoms, MgH2:60 Mg atoms + 120 H atoms

16. Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO • Studio sulla diffusione dell’idrogeno su interfaccia idruro di magnesio-Magnesio e ruolo del ferro come catalizzatore • mobilità degli atomi di idrogeno (dinamica a livello atomico) al variare di T

17. Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO • Desorbimento idrogeno: interfaccia Mg-MgH2 • Snapshot dell’interfaccia per le varie T

18. Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Peptide su nanostrutture di carbonio Interazione: Organico – Inorganico, dinamica molecolare classica

19. Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Peptide su nanostrutture di carbonio Organico - Inorganico: dinamica molecolare classica

20. Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Peptide su nanostrutture di carbonio Organic - Inorganic: dinamica molecolare ab-initio

21. Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Sistemi AX2 liquidi e amorfi

22. Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Sistemi AX2 liquidi e amorfi

23. Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Rame liquido e sottoraffreddato

24. Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Photovoltaic applications: organic solar cells Polymer solar cells are considered to be a potential candidate to solve the problem of the growing need of renewable, cost-effective energy sources. The maximum open circuit voltage for polymer solar cells is related to the difference between the HOMO of the electron donor and the LUMO of the electron acceptor. We implemented a theoretical approach to design fullerene derivatives to be used as electron acceptor in polymer solar cells. We calculated the LUMO levels of fullerene derivatives successfully used as electron acceptors and we correlated the obtained values with the Voc of the corresponding device.

25. Modellistica climatica • Attività principale: • Studi e valutazioni sul potenziale energetico delle correnti marine • Modelli: • Protheus (proprietario): modello climatico a scala regionale per la regione Mediterranea - prevedere, con sufficiente dettaglio spaziale e temporale, il clima sulla regione mediterranea. • MedMIT: modello di circolazione del Mediterraneo • Il nucleo principale del sistema predittivo Protheus è costiuito da due modelli numerici: uno che simula la dinamica dell’atmosfera ed il suolo, ed uno che simula la dinamica del Mar Mediterraneo. I due modelli sono accoppiati dinamicamente per mezzo di un interpolatore capace di scambiare le necessarie informazioni trai due modelli attraverso il protocollo MPI.

26. Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Dominiocomputazionale del modelloclimaticoProtheus

27. Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Dominiocomputazionale del modelloclimaticoMedMit 2.Dominiocomputazionale del modelloclimaticoMedMit Batimetria del modelloMedMit MedMIT è statoeseguito in parallelo, medianteilprotocollo MPI; la versioneoriginariaMedMIT ha subitodellemodifiche per ottenereunadescrizionepiùdettagliatadelladinamicadelloSrtetto di Gibilterra e per dimostrare come questaabbiaun’influenzasostanzialesullacircolazionetermoalina del Mediterraneo Batimetria del modellodellostretto di Gibilterra

28. Alcuni risultati di simulazioni condotte su CRESCO Visualizzazione 3D di dati del mediterraneo

29. Fluidodinamicasu Cresco HPC System: OpenFOAM e Fluent • Wind tunnel simulation for automotiveindustry • Calcolo del coefficiente di resistenza al variare della geometria del veicolo – forma aerodinamica – per ottenere consumi di carburante ridotti • Si è riusciti a far girare fino a 2000 core e si è dimostrata la stabilità del codice e la sua alta efficienza 87% • Questo riduce i tempi da 62,7 giorni con 1 core a 48 minuti con 2000

30. Fluidodinamicasu Cresco HPC System: OpenFOAM e Fluent Benchmark 3D room Energy efficiency in building

31. Enea HPC: industria e consorzi Air flow dynamics and temperature inside new train cars CETMA http://www.cetma.it

32. Enea HPC: industria e consorzi Hydrofoil flow simulation CETMA http://www.cetma.it Configurazione di una struttura alare da adattarsi sotto la cinghia di imbarcazioni di tipo trimarano T-Foil

33. Enea HPC: industria e consorzi Test di un’applicazione industriale Aviogroup http://www.aviogroup.com Avio Group OpenFOAM applications in supersonic CFD simulations.

34. Enea HPC: Realtà virtuale Beni culturali

35. Laser scanner technologies and 3D modelsintegration: analysis and methodologicalapproach Scansione Laser 3D Il Laser Scanner 3D "ambientale" integrato all’interno della Grid-ENEA e dell'infrastruttura di grafica avanzata è utilizzato per l’acquisizione di edifici, impianti o aree archeologiche anche di notevoli dimensioni. Con il termine “scansione 3D” si intende la creazione di un modello digitale tridimensionale che rappresenti fedelmente le caratteristiche di forma e di colore di un oggetto 3D. Il modello tridimensionale, ottenuto dalla scansione, rappresenta una vera e propria banca dati, che permette di estrapolare informazioni morfologiche e geometriche; elaborando la “nuvola di punti”, si possono estrarre piante, sezioni, alzati dell'edificio, impianto o area, che successivamente verranno trasformati in formato CAD. 3D models • Laser Scanner Systems in ENEA • ITR (Imaging Topological Radar) developed by ArtVisLab-ENEA • HDS3000 by Leica-Geosystem • VIVID 900 by MINOLTA • Desktop 3D Scanner by NextEngine

36. Visualization of 3D laser scanner data from an archaeological site using OpenSceneGraph • Laser scanning Juvanum by HDS3000 • 19 Scansioni • 16.589.664 punti • Valori di XYZ riflettenza e colore • Acquisizione di coord.GPS VISUALIZATION OF A SET OF MILLIONS OF POINTS OSG viewer: Currently there are commercial software capable to display a large amount of data in “near realtime”, but we were oriented to an “open source” solution using our ENEA-GRID, the OpenSceneGraph libraries and the powerful viewer. Distances evaluation: Integrating the ANN library in the OSG viewer code, it was possible to impolement a tool for evaluating distances between points in the 3D scene.

37. Grazie per l’attenzione marta.chinnici@enea.it 37