L'on voit ici est le barrage de Coralville sur le lac Coralville débordant dans son déversoir lors de l'inondation de l'Iowa de 2008. L'inondation a coûté 10 milliards de dollars de dommages pour l'ensemble de l'état de l'Iowa, en raison du débordement des rivières Iowa et Cedar. Après le déluge, le Iowa Flood Center de l'Université de l'Iowa a été créé pour la recherche sur les inondations. Crédit :Corps des ingénieurs de l'armée des États-Unis
De fortes précipitations peuvent provoquer le débordement des rivières et des systèmes de drainage ou la rupture des barrages, conduisant à des inondations qui causent des dommages aux propriétés et aux systèmes routiers ainsi que des pertes potentielles de vies humaines.
L'un de ces événements en 2008 a coûté 10 milliards de dollars de dommages et intérêts à l'ensemble de l'État de l'Iowa. Après le déluge, le Iowa Flood Center (IFC) de l'Université de l'Iowa (UI) a été créé en tant que premier centre aux États-Unis pour la recherche et l'éducation avancées liées aux inondations.
Aujourd'hui, les modèles de crues 2D simplifiés sont à la pointe de la technologie pour prédire la propagation des ondes de crue, ou comment les inondations se sont propagées à travers les terres. Une équipe à l'IFC, dirigé par le professeur UI George Constantinescu, crée des modèles de crues non hydrostatiques en 3D qui peuvent simuler avec plus de précision la propagation des ondes de crue et tenir compte de l'interaction entre les ondes de crue et les grands obstacles tels que les barrages ou les murs de plaine inondable. Ces modèles 3D peuvent également être utilisés pour évaluer et améliorer les capacités prédictives des modèles 2D que les agences gouvernementales et les sociétés de conseil utilisent pour prédire la propagation des inondations et les risques et dangers associés.
En utilisant l'un des supercalculateurs les plus puissants au monde, Titan, le Cray XK7 de 27 pétaflops à l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) - l'équipe de Constantinescu a réalisé l'un des premiers à haute résolution, 3-D, simulations Navier-Stokes (RANS) moyennées par Reynolds de volume de fluide d'une rupture de barrage dans un environnement naturel. La simulation a permis à l'équipe de cartographier les niveaux d'eau précis pour les événements d'inondation réels au fil du temps. RANS est une méthode largement utilisée pour modéliser les écoulements turbulents.
"Les inondations, comme celles générées par les ruptures de barrage, peut être très coûteux en calculs à simuler, " a déclaré Constantinescu. " Auparavant, il n'y avait pas assez de puissance informatique pour faire ce genre de simulations précises dans le temps dans de grands domaines de calcul, mais avec la puissance du calcul haute performance [HPC] et Titan, nous réalisons plus que ce que l'on pensait possible auparavant."
Le projet a été soutenu en 2015 et 2016 dans le cadre du programme d'utilisation discrétionnaire du directeur de l'OLCF. L'OLCF, une installation d'utilisateurs du bureau des sciences du département américain de l'énergie (DOE) située au laboratoire national d'Oak Ridge du DOE, fournit des ressources HPC pour des projets de recherche et de développement afin de faire avancer la découverte scientifique.
Les simulations 3D de l'équipe ont montré que les modèles 2D couramment utilisés peuvent prédire de manière inexacte certains aspects des inondations, tels que la durée pendant laquelle des niveaux de crue dangereux durent à certains endroits et la superficie inondée. Les résultats de la simulation ont également démontré que les modèles 2D peuvent sous-estimer la vitesse à laquelle les inondations se propagent et surestimer le moment auquel les vagues de crue atteignent leur point culminant.
Lorsque les sources d'eau qui se jettent dans une rivière montent simultanément, ils peuvent déclencher une ou plusieurs vagues de crue successives. Précision du 1-D, 2-D, ou des modèles d'inondation en 3D qui suivent la façon dont ces vagues se déplacent sont essentiels pour prédire la profondeur maximale de l'inondation, conditions dangereuses, et d'autres variables.
Sur la photo, voici une visualisation de la simulation de propagation des ondes de crue de l'équipe pour le cas de rupture du barrage de Saylorville, affiché à 9000 secondes. Les lignes bleues indiquent la position du chenal principal de la rivière Des Moines, et les lignes noires et vertes indiquent la position des deux principaux affluents :Beaver Creek et Raccoon River, respectivement. Crédit :Centre d'inondation de l'Iowa
"Nous devons savoir ce qui va se passer pour les situations où un barrage se brise, " Constantinescu a déclaré. "Nous devons savoir qui va être affecté, combien de temps il leur faudra pour évacuer, et qu'est-ce qui pourrait arriver d'autre à l'environnement en conséquence. »
Étant donné que les modèles 2D font des hypothèses simplifiées sur certains aspects du flux, ils ne peuvent pas tenir compte des changements dans le flux, comme lorsque la vague de crue contourne de gros obstacles, change rapidement de direction, ou immerge complètement les tabliers des ponts. L'équipe avait besoin d'un superordinateur de premier ordre pour exécuter les simulations 3D et capturer avec précision ces changements.
Titan change le courant
En utilisant un solveur RANS 3-D entièrement non hydrostatique, l'équipe a réalisé les premières simulations de la rupture hypothétique de deux barrages de l'Iowa :le barrage de Coralville à Iowa City et le barrage de Saylorville à Des Moines. Chacun utilisait une grille de calcul d'environ 30 à 50 millions de cellules et couvrait une zone physique d'environ 20 milles sur 5 milles.
L'équipe a utilisé le logiciel de calcul de dynamique des fluides de pointe STAR-CCM+. Ce logiciel propose une méthode de volume de fluide pour suivre la position de la surface libre de l'eau, les zones où l'eau rencontre l'air. Dans une étude d'évolutivité, l'équipe a déterminé les performances de pointe du code pour les simulations de rupture de barrage. Les chercheurs ont utilisé 2, 500 des processeurs CPU de Titan pour des performances optimales dans chaque simulation.
Les chercheurs ont également calculé les mêmes cas de test de rupture de barrage à l'aide d'un modèle 2D standard couramment utilisé par l'IFC. Lorsqu'ils ont comparé les résultats 2D à ceux des simulations 3D, ils ont découvert que le modèle 2D sous-estimait la vitesse à laquelle l'onde de crue s'était déplacée sur les terres et surestimait l'heure à laquelle la crue maximale s'est produite. Cette découverte est importante car les agences gouvernementales et les sociétés de conseil utilisent des modèles d'écoulement peu profond en 2D pour prédire les ruptures de barrage et les inondations, ainsi que pour estimer les risques d'inondation.
"En réalisant ces simulations 3D, nous avons fourni un énorme ensemble de données qui peut être utilisé pour améliorer la précision des modèles d'inondation 2D et 1D existants, " a déclaré Constantinescu. " Nous pouvons également examiner l'efficacité du déploiement de structures de protection contre les inondations pour différents scénarios d'inondation.
Constantinescu a déclaré qu'à mesure que les ordinateurs deviennent plus rapides et plus puissants, des simulations d'inondations complètes sur de plus grandes régions physiques seront possibles. Sommet, le supercalculateur de nouvelle génération de l'OLCF dont la mise en service est prévue en 2018, découvrira de nouvelles possibilités pour la recherche de Constantinescu.
"Les progrès des algorithmes numériques, génération de grille automatique, et l'augmentation de la puissance des supercalculateurs permettra à terme de simuler des vagues de crue sur de longues durées à l'aide de Titan, et encore plus avec Summit, " a déclaré Constantinescu. " Finalement, choses que nous devions auparavant faire à la main, comme la génération d'une grille de calcul de haute qualité, fera simplement partie du progiciel typique."
