<div>As high performance computing systems are advancing from petascale to exascale, scientific workflows to integrate simulation and visualization/analysis are a key factor to influence scientific campaigns. As one of the campaigns to study fluid behaviors, computational fluid dynamics (CFD) simulations have progressed rapidly in the past several decades, and revolutionized our lives in many fields. Lattice Boltzmann method (LBM) is an evolving CFD approach to significantly reducing the complexity of the conventional CFD methods, and can simulate complex fluid flow phenomena with cheaper computational cost. This research focuses on accelerating the workflow of LBM simulation and data analysis.</div><div><br></div><div>I start my research on how to effectively integrate each component of a workflow at extreme scales. Firstly, we design an in-situ workflow benchmark that integrates seven state-of-the-art in-situ workflow systems with three synthetic applications, two real-world CFD applications, and corresponding data analysis. Then detailed performance analysis using visualized tracing shows that even the fastest existing workflow system still has 42% overhead. Then, I develop a novel minimized end-to-end workflow system, Zipper, which combines the fine-grain task parallelism of full asynchrony and pipelining. Meanwhile, I design a novel concurrent data transfer optimization method, which employs a multi-threaded work-stealing algorithm to transfer data using both channels of network and parallel file system. It significantly reduces the data transfer time by up to 32%, especially when the simulation application is stalled. Then investigation on the speedup using OmniPath network tools shows that the network congestion has been alleviated by up to 80%. At last, the scalability of the Zipper system has been verified by a performance model and various largescale workflow experiments on two HPC systems using up to 13,056 cores. Zipper is the fastest workflow system and outperforms the second-fastest by up to 2.2 times.</div><div><br></div><div>After minimizing the end-to-end time of the LBM workflow, I began to accelerate the memory-bound LBM algorithms. We first design novel parallel 2D memory-aware LBM algorithms. Then I extend to design 3D memory-aware LBM that combine features of single-copy distribution, single sweep, swap algorithm, prism traversal, and merging multiple temporal time steps. Strong scalability experiments on three HPC systems show that 2D and 3D memory-aware LBM algorithms outperform the existing fastest LBM by up to 4 times and 1.9 times, respectively. The speedup reasons are illustrated by theoretical algorithm analysis. Experimental roofline charts on modern CPU architectures show that memory-aware LBM algorithms can improve the arithmetic intensity (AI) of the fastest existing LBM by up to 4.6 times.</div>

No description available.

Philosophiae Doctor - PhD / Fitted operator finite difference methods (FOFDMs) for singularly perturbed problems have been explored for the last three decades. The construction of these numerical schemes is based on introducing a fitting factor along with the diffusion coefficient or by using principles of the non-standard finite difference methods. The FOFDMs based on the latter idea, are easy to construct and they are extendible to solve partial differential equations (PDEs) and their systems. Noting this flexible feature of the FOFDMs, this thesis deals with extension of these methods to solve interior layer problems, something that was still outstanding. The idea is then extended to solve singularly perturbed time-dependent PDEs whose solutions possess interior layers. The second aspect of this work is to improve accuracy of these approximation methods via methods like Richardson extrapolation. Having met these three objectives, we then extended our approach to solve singularly perturbed two-point boundary value problems with variable diffusion coefficients and analogous time-dependent PDEs. Careful analyses followed by extensive numerical simulations supporting theoretical findings are presented where necessary.

Les gouttes d’oxyde d’aluminium présentes en masse dans l’écoulement interne des moteurs-fusées à propergol solide ont tendance à influerde façon importante sur l’écoulement et sur le fonctionnement du moteur quel que soit le régime. L’objectif de la thèse est d’améliorerles modèles diphasiques eulériens présents dans le code de calcul semi-industriel pour l’énergétique de l’ONERA, CEDRE, en y incluant lapossibilité d’une dispersion locale des particules en vitesse en plus de la dispersion en taille déjà présente dans le code, tout en gardant unestructure mathématique bien posée du système d’équations à résoudre. Cette nouvelle caractéristique rend le modèle capable de traiter lescroisements de trajectoires anisotropes, principale difficulté des modèles eulériens classiques pour les gouttes d’inertie modérément grande.En plus de la conception et de l’analyse détaillée d’une classe de modèles basés sur des méthodes de moments, le travail se concentre sur larésolution des systèmes d’équations obtenus en configurations industrielles. Pour cela, de nouvelles classes de schémas précis et réalisables pourle transport des particules dans l’espace physique et l’espace des phases sont développées. Ces schémas assurent la robustesse de la simulationmalgré différentes singularités (dont des chocs, -chocs, zones de pression nulle et zones de vide...) tout en gardant une convergence d’ordredeux pour les solutions régulières. Ces développements sont conduits en deux et trois dimensions, en plus d’un référentiel bidimensionnelaxisymétrique, dans le cadre de maillages non structurés.La capacité des schémas numériques à maintenir un niveau de précision élevé tout en restant robuste dans toutes les conditions est un pointclé pour les simulations industrielles de l’écoulement interne des moteurs à propergol solide. Pour illustrer cela, le code de recherche SIERRA,originellement conçu durant les année 90 pour les problématiques d’instabilités de fonctionnement en propulsion solide, a été réécrit afin depouvoir comparer deux générations de modèles et de méthodes numériques et servir de banc d’essais avant une intégration dans CEDRE. Lesrésultats obtenus confirment l’efficacité de la stratégie numérique choisie ainsi que le besoin d’introduire, pour les simulations axisymétriques,une condition à la limite spécifique, développée dans le cadre de cette thèse. En particulier, les effets à la fois du modèle et de la méthodenumérique dans le contexte d’une simulation de l’écoulement interne instationnaire dans les moteurs-fusées à propergol solide sont détaillés.Par cette approche, les liens entre des aspects fondamentaux de modélisation et de schémas numériques ainsi que leurs conséquences pour lesapplications sont mis en avant. / The massive amount of aluminum oxide particles carried in the internal flow of solid rocket motors significantly influences their behavior.The objective of this PhD thesis is to improve the two-phase flow Eulerian models available in the semi-industrial CFD code for energeticsCEDRE at ONERA by introducing the possibility of a local velocity dispersion in addition to the size dispersion already taken into accountin the code, while keeping the well-posed characteristics of the system of equations. Such a new feature enables the model to treat anisotropicparticle trajectory crossings, which is a key issue of Eulerian models for droplets of moderately large inertia.In addition to the design and detailed analysis of a class of models based on moment methods, the conducted work focuses on the resolution ofthe system of equations for industrial configurations. To do so, a new class of accurate and realizable numerical schemes for the transport ofthe particles in both the physical and the phase space is proposed. It ensures the robustness of the simulation despite the presence of varioussingularities (including shocks, -shocks, zero pressure area and vacuum...), while keeping a second order accuracy for regular solutions. Thesedevelopments are conducted in two and three dimensions, including the two dimensional axisymmetric framework, in the context of generalunstructured meshes.The ability of the numerical schemes to maintain a high level of accuracy in any condition is a key aspect in an industrial simulation of theinternal flow of solid rocket motors. In order to assess this, the in-house code SIERRA, originally designed at ONERA in the 90’s for solidrocket simulation purpose, has been rewritten, restructured and augmented in order to compare two generations of models and numericalschemes, to provide a basis for the integration of the features developed in CEDRE. The obtained results assess the efficiency of the chosennumerical strategy and confirm the need to introduce a new specific boundary condition in the context of axisymmetric simulations. Inparticular, it is shown that the model and numerical scheme can have an impact in the context of the simulation of the internal flow ofsolid rocket motors and their instabilities. Through our approach, the shed light on the links between fundamental aspects of modeling andnumerical schemes and their consequences on the applications.

Les travaux de thèse sont axés sur les méthodes numériques pour les écoulements diphasiques, compressibles, à faible vitesse, avec apparition soudaine de forts gradients de pression. La vitesse matérielle de chacune des phases étant très petite devant la célérité des ondes acoustiques, le régime d'écoulement est dit à faible nombre de Mach. Dans ce travail, la loi d'état de la phase considérée contient toujours une information mesurant sa plus ou moins grande compressibilité. Ainsi, la faible compressibilité de l'eau peut produire un régime d'écoulement où des sauts de pression importants apparaissent même si le nombre de Mach est très faible. La première partie de la thèse s'est focalisée sur un modèle diphasique dit homogène-équilibré. Les deux phases de l'écoulement ont alors la même vitesse, pression, température et même potentiel chimique. Un premier travail a été la construction de solveurs de Riemann approchés dits tout-nombre-de-Mach. En l'absence de transitoire rapide, ces solveurs basent leur contrainte de pas de temps sur la vitesse des ondes matérielles lentes et sont donc précis pour suivre ces dernières. En revanche, lorsqu'une onde de choc rapide traverse l'écoulement, ces solveurs s'adaptent automatiquement afin de la capturer. La seconde partie de la thèse s'est focalisée sur la prise en compte du couplage convection-source dans le cadre des modèles en approche bi-fluides avec effets de relaxation pression-vitesse. Dans ces modèles, les deux phases de l'écoulement possèdent leur propre jeu de variables. Dans ce travail, un schéma implicite à mailles décalées, basé sur l'influence des termes sources dans des problèmes de Riemann linéaires, a été proposé / The present work focuses on numerical methods for low-material velocity compressible two-phase flows with high pressure jumps. In this context, the material velocity of both phases is small compared with the celerity of the acoustic waves. The flow is said to be a low-Mach number flow. In this work, the equation of state of the considered phase always contains information relative to its compressibility. For example, the low-compressibility of liquid water may lead to fast transients in which high pressure jumps are produced even if the flow Mach number is low. The first part of this work has leaned on two-phase homogeneous-equilibrium models. Thus, both phases have the same velocity, pressure, temperature and the same chemical potential. The construction of what is called an all-Mach-number approximate Riemann solver has been conducted. When no fast transients come through the flow, the above solvers enable computations with CFL conditions based on low-material velocities. As a result, they remain accurate to follow slow material interfaces, or subsonic contact discontinuities. However, when fast shock waves propagate, these solvers automatically adapt in order to capture them. The second part of the thesis has been dedicated to the design of numerical methods enhancing the coupling between convection and relaxation for two-fluid models containing pressure-velocity relaxation effects. In such models, both phases have their own set of variables. A time-implicit staggered scheme, based on the influence of relaxation source terms on linear Riemann problems has been proposed.

This work deals with the possibilities of modeling electrical circuits and methods of solving these models. It focuses on the analysis of today's systems, so that their features can be used in our graphic editor design.

Disertační práce se zabývá modelováním znečištění ovzduší, jeho transportních a disperzních procesů ve spodní části atmosféry a zejména numerickými metodami, které slouží k řešení těchto modelů. Modelování znečištění ovzduší je velmi důležité pro předpověď kontaminace a pomáhá porozumět samotnému procesu a eliminaci následků. Hlavním tématem práce jsou metody pro řešení modelů popsaných parciálními diferenciálními rovnicemi, přesněji advekčně-difúzní rovnicí. Polovina práce je zaměřena na známou metodu přímek a je zde ukázáno, že tato metoda je vhodná k řešení určitých konkrétních problémů. Dále bylo navrženo a otestováno řešení paralelizace metody přímek, jež ukazuje, že metoda má velký potenciál pro akceleraci na současných grafických kartách a tím pádem i zvětšení přesnosti výpočtu. Druhá polovina práce se zabývá poměrně mladou metodou ELLAM a její aplikací pro řešení atmosférických advekčně-difúzních rovnic. Byla otestována konkrétní forma metody ELLAM společně s navrženými adaptacemi. Z výsledků je zřejmé, že v mnoha případech ELLAM překonává současné používané metody.

Tato práce se zaměřuje na datové struktury pro reprezentaci řídkých blokových matic a s nimi spojených výpočetních algoritmů, jež jsem navrhl. Řídké blokové matice se vyskytují při řešení mnoha dílčích problémů jako například při řešení metody nejmenších čtverců. Nelineární metoda nejmenších čtverců (NLS) je často aplikována v robotice pro řešení problému lokalizace robota (SLAM) nebo v příbuzných úlohách 3D rekonstrukce v počítačovém vidění (BA), (SfM). Problémy konečných elementů (FEM) a parciálních diferenciálních rovnic (PDE) v oboru fyzikálních simulací můžou také mít blokovou strukturu. Většina existujících implementací řídké lineární algebry používají řídké matice s granularitou jednotlivých elementů a jen několik málo podporuje řídké blokové matice. To může být způsobeno složitostí blokových formátů, jež snižuje rychlost výpočtů, pokud bloky nejsou dost velké. Některé ze specializovaných NLS optimalizátorů v robotice a počítačovém vidění používají blokové matice jako interní reprezentaci, aby snížily cenu sestavování řídkých matic, ale nakonec tuto reprezentaci převedou na elementovou řídkou matici pro implementaci k řešení systémů rovnic. Existující implementace pro řídké blokové matice se většinou soustředí na jedinou operaci, často násobení matice vektorem. Řešení navržené v této disertaci pokrývá širší spektrum funkcí: implementovány jsou funkce pro efektivní sestavení řídké blokové matice, násobení matice vektorem nebo jinou maticí a nechybí ani řešení trojúhelníkových systémů nebo Choleského faktorizace. Tyto funkce mohou být snadno použity ke řešení systémů lineárních rovnic pomocí analytických nebo iterativních metod nebo k výpočtu vlastních čísel. Jsou zde popsány rychlé algoritmy pro hlavní procesor (CPU) i pro grafické akcelerátory (GPU). Navrhované algoritmy jsou integrovány v knihovně SLAM++ , jež řeší problém nelineárních nejmenších čtverců se zaměřením na problémy v robotice a počítačovém vidění. Je provedeno vyhodnocení na standardních datasetech kde navrhované metody dosahují výrazně lepších výsledků než dosavadní metody popsané v literatuře -- a to bez kompromisů v přesnosti či obecnosti řešení.

No description available.

Detta arbete syftar till att utveckla ett förslag på ett utbildningsmaterial i form av en programmeringsorienterad fysik- och matematiklaboration. Målgruppen är i förstahand studenter som läser andra terminen i det ingenjörsförberedande programmet Tekniskt basår (KTH), men även studenter på motsvarande kunskapsnivå (tillexempel elever i gymnasiets naturvetenskapliga program). Laborationen konstruerades för att skapa förutsättningar för studenterna att:1) Visa på kritiskt tänkande,2) visa på kollaboration,3) öka ämnesförståelsen. Det föreslagna utbildningsmaterialet omfattar området beräkningsfysik, där en ickelinjärdifferentialekvation härled från en matematisk pendel ska lösas med hjälp avnumeriska metoder. Laborationens uppgifter formulerades med kritiskt tänkande som utgångspunkt och utfördes med parprogrammering som samarbetsform för kollaboration. I detta arbete undersöktes punkter 1) och 2) i en utbildningssituation med elever från andra terminen på Tekniskt basår. Fyra elevgruppers konversationer spelades in och en innehållsanalys utfördes på transkriberingen av ljudinspelningen. En mönsterjämförelsemetod användes för att stärka slutsatserna. Utifrån resultaten av undersökningsprojektet konstaterade vi att den teoretiska propositionen om att laborationskonstruktionen har medverkat till elevernas kollaboration och appliceringav kritiskt tänkande, har stärkts. / This work aims to develop a proposal for educational material in the form of a programming-oriented Physics and Mathematics lab. The target group is mainly students from the second semester in the Technical Preparatory Year program (KTH), but also students of equivalent knowledge level (for example, students in the upper secondary school- natural science program). The lab was designed to create opportunity for students to:1) apply critical thinking, 2) demonstrate collaboration, 3) increase subject understanding. The proposed educational material comprises computational physics, where a non linear differential equation derived from a mathematical pendulum is solved using numerical methods. The exercises in the lab were formulated with critical thinking in mind and pair programming was used as the context for collaboration. In this paper 1) and 2) were investigated in an educational setting with students from the second semester of the Technical Preporatory Year (KTH). The conversations of four student groups were recorded and a content analysis was performed on the transcriptions of the audio recordings. A pattern matching method was used to strengthen the conclusions. Based on the results of the research project, we found that the theoretical proposition that the construction of the laboratory work has contributed to the collaboration and application of critical thinking by the students,has been strengthened.