HLRN Informationen ▪ Nr. 19 ▪ Juni 2016

Vor sich haben Sie die neunzehnte Ausgabe der HLRN-Informationen. Details zum Abonnement per E-Mail und zum Download sind am Ende unter Redaktionelles zu finden.

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HLRN-III-Modell „Konni“ in Berlin. Voll funktionsfähiges Modell des Berliner XC30 „ Konrad“ mit 10 „Racks“ aus Raspberry Pi-Knoten. Als System läuft ein angepasstes „Raspian“-Linux. Die Kommunikation des Flüssigkeitssimulations-Codes „TinySPH“ erfolgt, wie im großen System, mit MPI. Die Visualisierung der Strömung wird in Echtzeit auf einem Frontend dargestellt. Die Linpack-Performance der 40 Kerne beträgt 12 GFlop/s (vgl. Konrad: ca. 1.000.000 GFlop/s auf 44.928 Kernen) (zur Konni Website). [Bild ©Zuse-Institut Berlin]

HLRN-IV Update

Wissenschaftsrat gibt grünes Licht für HLRN-IV

In seinen am 19.04.2016 veröffentlichten „ Empfehlungen zur Förderung von Forschungsbauten (2017) (Drs. 5246-16) “ hat der Wissenschaftsrat den Antrag zur Beschaffung des HLRN-Nachfolgerechners an den Standorten Berlin (ZIB) und Niedersachsen (Universität Göttingen) mit der bestmöglichen Note ausgezeichnet. In den Empfehlungen heißt es: "Die Kriterien für die Begutachtung von Forschungsbauten sind damit in höchstem Maße und sehr überzeugend erfüllt“.

Seit Gründung des HLRN-Verbunds im Jahr 2002 wird die Rechenleistung von Wissenschaftlern der Chemie, Medizin, Biowissenschaften, Physik, Geowissenschaften, Ozeanographie, Meteorologie, Ingenieurwissenschaften, Informatik, Mathematik und künftig auch Sozial- und Geisteswissenschaften genutzt. Der derzeitige HLRN-III wurde im Jahr 2013 in Betrieb genommen und soll nach fünfjähriger Betriebszeit im September 2018 durch ein technologisch aktuelles Nachfolgesystem, den HLRN-IV ersetzt werden.

Die Investitionskosten in Höhe von 30 Mio. Euro tragen die sieben Bundesländer Berlin, Brandenburg, Bremen, Hamburg, Mecklenburg-Vorpommern, Niedersachsen und Schleswig-Holstein gemeinsam mit dem Bund. Die Unterstützung und Beratung der Nutzerschaft erfolgt durch das überregionale Kompetenznetzwerk, insbesondere die HLRN-Fachberater, an dem alle Institutionen des HLRN beteiligt sind.

Neben dem Zuse-Institut Berlin wurde als Standort in Niedersachsen die Universität Göttingen ausgewählt. „Die beiden Standorte [ergänzen sich] sowohl im Hinblick auf ihre methodenwissenschaftliche Forschung als auch im Hinblick auf die anwendungswissenschaftlichen Schwerpunkte ideal“, so der Wissenschaftsrat. Die an der Nutzung der HLRN-Ressourcen beteiligten Wissen­schaftlerinnen und Wissenschaftler „bringen die für eine effektive Nutzung des beantragten Hochleistungsrechners notwendige Erfahrung höchst überzeugend ein und sind sehr gut in die nationale HPC-Versorgungspyramide integriert.“

Aktuelles zum HLRN

Nur noch SSH-Schlüssel für den HLRN-Zugang

Am 14. Juni 2016 ist das Konzept des Login-Zugangs zum HLRN durch ausschließlich SSH-Schlüssel in Betrieb gegangen. Seit­dem wird das Login mit Passwort nicht mehr unterstützt, um dem Ausspähen von Passwörtern vorzubeugen. Zeitgleich entfällt für das Login die bisherige Zugangsrechner-Regelung, so dass die Verbindung zum HLRN per SSH nun von allen Rechnern weltweit möglich ist. In der Vorbereitungsphase mussten dazu „im Hintergrund“ umfangreiche Arbeiten an der Software- und Services-Infrastruktur durchgeführt werden. Die Erzeugung von SSH-Keys, der Umgang mit ihnen, und die HLRN-bezogenen Besonderheiten sind in unserem Tutorial "HLRN SSH Login" beschrieben.

Nächste Generation von Intel Xeon Phi Prozessoren am ZIB

Im Rahmen eines Early-Shipment-Programms wird das Zuse-Institut Berlin zusammen mit den Partnern Cray und Intel die nächste Generation von Intel Xeon Phi Prozessoren – Projektname Knights Landing (KNL) – für die HLRN-Community bereitstellen. Noch vor der Sommerpause sollen dazu 80 KNL-Knoten in das am ZIB betriebene Cray Test- und Development System (TDS) integriert werden. Damit möchten wir den Programmentwicklern und Nutzern im HLRN die Möglichkeit geben, sich mit der neuesten Generation von Prozessoren der Intel Many Integrated Core (MIC) Architektur vertraut zu machen, um Programme für künftige HLRN-Systemarchitekturen vorzubereiten. Die neuen Knoten bestehen aus einem Intel Xeon Phi 7250 Prozessor mit 68 Rechenkernen und 96 GiB DDR4-Speicher. Als neues Architekturmerkmal sind auf dem CPU-Package 16 GiB-Speicher Multi-Channel-DRAM (MCDRAM) mit hoher Speicherbandbreite konfektioniert. Mehr Informationen zum KNL findet man im Web bei Intel. Darüberhinaus werden in wenigen Tagen auf der International Supercomputing Conference 2016 weitere Details, insbesondere erste Zahlen zur Anwendungsleistungs erwartet.

Für die Unterstützung der Programmentwickler bei der Migration und Evaluierung ihrer Anwendungen planen wir nach der Sommerpause einen Parallel Programming Workshop, in dem die Teilnehmer auch auf die Erfahrungen aus den Arbeiten im „Research Center for Many-core High-Performance Computing“, dem Intel PCC am ZIB, zurückgreifenkönnen.

Das HLRN Service-Portal wird bilingual

Zeitgleich mit der Umstellung des Loginzugangs wurde die erste Stufe der Erweiterung des Service-Portals auf Zweisprachigkeit (Deutsch/Englisch) in Betrieb genommen. Zunächst sind alle Seiten und Formulare für die Beantragung und Verwaltung von Nutzerkennungen ein­schliesslich aller Hilfetexte in beiden Sprachen verfügbar gemacht worden. Die restlichen Seiten des Service-Portals, insbesondere die Formulare für Projektanträge, folgen demnächst. Der HLRN trägt damit der weiter zunehmenden Internationalisierung seiner Nutzerschaft und deren Projekte Rechnung.

Projekte am HLRN

Auf den HLRN-Systemen werden Projekte aus vielen Forschungsgebieten bearbeitet. Hier stellen wir jeweils ein Projekt vor, das gerade bearbeitet wird oder abgeschlossen wurde. In dieser Ausgabe präsentieren wir ein Projekt aus dem Flugzeugbau.

Hochauftrieb künftiger Verkehrsflugzeuge – Strukturentwurf und Aeroelastik

– Aeroelastische Analysen von Flügeln mit aktiver Zirkulationskontrolle –

K. Sommerwerk, M. C. Haupt

Institut für Flugzeugbau und Leichtbau, Technische Universität Braunschweig

Der Coandă-Effekt zur Steigerung des Maximalauftriebs ist in der Aerodynamik Gegenstand aktueller Forschung. Dabei wird die Strömung durch Ausblasung komprimierter Luft vor den Hochauftriebsklappen in der Grenzschicht beschleunigt, verkleinert und damit stabilisiert (s. Abb.1). Die hohe Grenzschichtgeschwindigkeit induziert einen Druckgradienten auf der Klappenoberseite, wodurch die Strömung um die Klappe gelenkt wird, wie in Abb. 2 gezeigt ist. Eine Strömungsablösung wird dadurch verzögert. Durch entsprechend hohe Ausblaseraten können somit mit einfachen Wölbklappen Klappenwinkel von bis zu 85° gefahren werden.

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Abb. 1: Grenzschichtbeeinflussung durch Ausblasung.

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Abb. 2: Stromlinien um Profil mit Zirkulationskontrolle.

Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) 880 „Grundlagen des Hochauftriebs künftiger Verkehrsflugzeuge“ werden Forschungen zum effizienten Hochauftrieb, den Effekten auf die Aeroakustik sowie der Flugdynamik durchgeführt [1]. Als Grundlage der Forschung und der Technologiebewertung werden die verfolgten Ansätze und Ideen an einem potentiellen Flugzeug geprüft (s. Abb. 3).

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Abb. 3: Referenzflugzeug im SFB 880.

Die aus den veränderten Strömungslasten folgenden Anforderungen an die Festigkeit und dynamische Stabilität der Tragflügelstruktur sind noch weitgehend unerforscht. So fehlen bisher quantitative Untersuchungen zum veränderten aeroelastischen Verhalten des Tragflügels durch die Ausblasung und durch die großen Klappenfahrwinkel. Weiterhin sind die Auswirkungen des Coandă-Effekts auf die Steuerbarkeit von Flugzeugen mit traditionellen oder angepassten Leichtbauweisen für Tragflügel aufgrund des komplexen Zusammenwirkens der Teilkomponenten unklar.

Im Rahmen des SFB 880, Teilprojekt „Strukturentwurf und Aeroelastik“ werden die wesentlichen Phänomene des aeroelastischen Verhaltens analysiert und Entwurfskonzepte entwickelt. Es gilt sowohl das globale Trag- und Schwingungsverhalten des Tragflügels einschließlich der Phänomene der Zirkulations- und Ruderumkehr, des Low-Speed-Flatterns und der Torsionsdivergenz, als auch das lokale Verhalten – Deformationen der Coandă-Klappen und des Ausblasespaltes – zu untersuchen.

Aufgrund der notwendigen feinen Auflösung zur Abbildung der Grenzschichtinteraktionen wird zur systema­tischen Untersuchung der aeroelastischen Stabilität ein reduziertes Modell (ROM) entwickelt [2]. Die Aerodynamik wird durch die Beiwerte und Derivativa aus hochaufgelösten 2D-Rechnungen, die Struktur durch Modenüberlagerung der Moden des detaillierten Strukturmodells abgebildet. Durch diesen Ansatz kann, im Vergleich zu großen gekoppelten 3D-Rechnungen, der Parameterraum von Ausblaserate, Anstellwinkel und anderen Strömungszuständen schnell nach instabilen Zuständen abgesucht werden.

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Abb. 4: Strömungs-Strukturkopplung an Reiseflugkonfiguration.

Für die 3D-Korrektur des ROM sowie zur Validierung einzelner durch das ROM entdeckter Flatterfälle werden Strömungs-Struktur-Kopplungen (vgl. Abb. 4) am gesamten Flügel in Landekonfiguration mit aktiver Zirkulationskontrolle durchgeführt. Für die Kopplung wird die Simulationssoftware ifls genutzt [3], wobei ein partitionierter Ansatz unter Nutzung ausgereifter Einzellöser verfolgt wird. Dabei decken instationäre Strömungsrechnungen hochaufgelöster Gitter die Fluidseite ab. Als Strömungslöser für die sehr speziellen Konfigurationen findet der DLR TAU-Code Anwendung [4]. Mit hochdetaillierten und auf die Belastungen ausgelegten Strukturmodellen werden die Struktureigenschaften wiedergegeben [5].

Ergebnis der bisherigen Untersuchungen ist der Einfluss der Flügeldeformation auf die Beiwerte und auf den Punkt des maximalen Auftriebs des Flugzeugs [6]. Des weiteren ist die Erweiterung des Flügels um eine Senknase sowie um die vollständige Modellierung des Triebwerks Gegenstand aktueller Untersuchungen (s. Abb. 5).

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Abb. 5: FE-Model des Flügels mit Triebwerk.

Ein Beispiel eines auf dem HLRN berechneten gekoppelten Strömungs- und Deformationszustands ist in Abb. 6 gezeigt. Bei diesem Beispiel lässt sich die Strömungsumlenkung um den Tragflügel und die Veränderung der Strömung durch das Triebwerk deutlich erkennen.

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Abb. 6: Vortizitätskonturen des Strömungsfelds und Druckbeiwert ohne und mit Triebwerk bei aktiver Zirkulationskontrolle.

Der Einfluss von Senknase und Triebwerk bei verschiedenen Ausblaseraten (cµ) ist in Abb. 7 dargestellt. Allen Konfigurationen ist gemein, dass eine Erhöhung von cµ zu höherem Auftrieb führt. Die Konfigurationen ohne Senknase zeigen einen sehr begrenzten Anstellwinkelbereich bis 5°. Mit Senknase verschiebt sich dieser Bereich zu maximalen Anstellwinkeln von 24°. Durch Hinzufügen des Triebwerks wird der Auftrieb weiter erhöht. Allerdings sinkt damit wieder der maximale Anstellwinkel durch die größeren Strömungsstörungen.

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Abb. 7: Auftrieb der Konfigurationen in Abhängigkeit von Anstellwinkel und Ausblaserate (cµ).

Transiente Flatteranalysen des Flügels ohne Triebwerk mit dem ROM zeigen bei geringen Landegeschwindigkeiten und aktiver Zirkulationskontrolle in begrenzten Bereichen instabilies Verhalten. Dabei tritt bei entsprechend hohen Ausblaseraten und spezifischen Anstellwinkeln Torsionsflattern auf. Dieses Flatterphänomen ist nicht wie klassisches Hochgeschwindigkeitsflattern abhängig von der Anströmgeschwindigkeit, sondern wird nur durch die zugeführte Energie des Ausblasestrahls hervorgerufen [7] .

Erweiterung des ROM um die Triebwerksströmungen und Analyse des Low-Speed-Flatterns der neuen Konfiguration sind in zukünftigen Arbeitsschritten vorgesehen.

Projektförderung

DFG SFB 880 Fundamentals of high lift for future commercial aircraft

Referenzen

[1] R. Radespiel, W. Heinze, “SFB 880: fundamentals of high lift for future commercial aircraft”, CEAS Aeronautical Journal 5(3), pp 239–251 (2014). doi: 10.1007/s13272-014-0103-6

[2] I. Krukow, D. Dinkler, “A reduced-order model for the investigation of the aeroelasticity of circulationcontrolled wings”, CEAS Aeronautical Journal 5(2), pp 145–156 (2014). doi:10.1007/s13272-0130097-5

[3] M. Haupt, R. Niesner, R. Unger, P. Horst, “Computational Aero-Structural Coupling For Hypersonic Applications”, AIAA-Paper 2006-3252, (2006).

[4] D. Schwamborn, T. Gerhold, R. Heinrich, “The DLR TAU-Code: Recent Applications in Research and Industry”, in Proc. of Europ. Conf. on Computational Fluid Dynamics ECCOMAS CFD (2006).

[5] K. Sommerwerk, M. C. Haupt, “Design analysis and sizing of a circulation controlled CFRP wing with Coandă flaps via CFD–CSM coupling”, CEAS Aeronautical Journal 5(1), pp 95–108 (2014). doi: 10.1007/s13272-013-0093-9

[6] K. Sommerwerk, M. C. Haupt, P. Horst, “Aeroelastic Performance Assessment of a Wing with Coandă Effect Circulation Control via Fluid-Structure Interaction”, AIAA-Paper 2013-2791, (2013). Förderung DFG Sonderforschungsbereich (SFB) 880

[7] K. Sommerwerk, I. Krukow, M. C. Haupt, D. Dinkler. „Investigation of aeroelastic effects of a circulation controlled wing“, AIAA Journal of Aircraft (in press) , (2016). doi: 10.2514/1.C033780

Termine und Veranstaltungen

Großprojekte: Antragstermin 28.07.2016

Die nächsten Termine für die Beantragung von Rechenzeit für Großprojekte sind der 28.07.2016 und der 28.10.2016. In der anschließenden Begutachtung durch den Wissenschaftlichen Ausschuss werden Rechenzeit-Kontingente für vier Quartale ab 01.10.2016 bzw. 01.01.2017 bewilligt. Anträge auf neue Nutzerkennungen zur Vorbereitung von Großprojekten sowie Anträge auf Rechenzeit für Großprojekte können online über das Service-Portal des HLRN gestellt werden. Die Gutachter des Wissenschaftlichen Ausschusses des HLRN bewilligen etwa 130 Millionen Core-Stunden pro Quartal (entspricht etwa 42 Millionen NPL pro Jahr) für Großprojekte. Nähere Informationen dazu sind auf den Webseiten des HLRN und dem Service-Portal des HLRN zu finden.

Personalia

Personelle Veränderungen

Im vergangenen Halbjahr haben sich wieder personelle Änderungen im HLRN-Kompetenznetzwerk ergeben. Aus dem Kreis der HLRN-Berater ausgeschieden ist Stefan Albensöder (ForWind Uni Oldenburg).

Redaktionelles

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Redaktion

Dr. Wolfgang Baumann (baumann@hlrn.de)

Die nächste Ausgabe der HLRN Informationen erscheint voraussichtlich im Dezember 2016.


Last modification: WolfgangBaumann - 17 Jun 2016 15:46 (Version: 2)
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