Frost 3D Universal

В программном комплексе Frost 3D Universal на персональном компьютере было осуществлено численное решение задачи прогнозирования растепления грунтов под влиянием нефтепровода на расчетной сетке, состоящей из 58.5 млн. узлов. Прогноз оттаивания грунтов вокруг трубопровода выполнялся на 2 года. В общей сложности расчет в программном комплексе Frost 3D Universal на 4-х ядерном центральном процессоре занял 70 часов с использованием 17 Гб оперативной памяти. Ранее уже производился расчет данной модели с более грубой дискретизацией в 22.3 млн. узлов, что не позволяло учитывать в модели мелкие элементы, такие как тонкий теплоизолятор. Прогнозный расчет на 20 лет при этом занимал 7 часов, используя в качестве расчетного механизма графический ускоритель Nvidia Titan.

Модель протяженного участка трубопровода

Модель протяженного участка трубопровода

Необходимость создания такой большой расчетной сетки была обусловлена спецификой решаемой задачи – моделирование формирования ореола оттаивания вокруг нефтепровода диаметром 1,2 м на участке протяженностью в 500 м. Рассматриваемый участок характеризуется сложным геолого-литологическим строением грунтов, который также включал линзы сильно-льдистого грунта. Всего на участке присутствовали 21 тип грунтов с различными теплофизическими свойствами. Учитывался также перепад высот дневной поверхности, который составлял более 35 метров.

Дискретизация грунтов вблизи нефтепровода

Сложное геолого-литологическое строение грунтов под нефтепроводом

Таким образом, для того, чтобы детально дискретизировать трубопровод и учесть сложное геолого-литологическое строение грунтов и наличие тонкого теплоизоляционного материала пеноплекс, была построена большая расчетная сетка, состоящая из 58.5 млн. узлов.

Детализация расчетной сетки вблизи трубы и пеноплекса

Детализация расчетной сетки вблизи трубы и пеноплекса

Дискретизация геологических пород и перепад высот на участке с нефтепроводом

Дискретизация геологических пород и перепад высот на участке с нефтепроводом

Для возможности решения таких сложных и востребованных у пользователей задач с вовлечением расчетных сеток в десятки миллионов узлов, была предложена концептуально новая плагинная архитектура для программного комплекса Frost 3D Universal. Новая архитектура позволила существенно сократить потребность приложения в памяти, выполнить функциональное разделение приложения на логические части, каждая из которых может быть загружена в оперативную память независимо от других частей. Такой подход построения приложения позволит в будущем выполнять независимую модернизацию каждого из плагинов без модификации самого приложения.

Чаша оттаивания мерзлого грунта под трубопроводом

Чаша оттаивания мерзлого грунта под трубопроводом

Растепление мерзлотного грунта под воздействием нефтепровода с подогреваемой нефтью

Растепление мерзлотного грунта под воздействием нефтепровода с подогреваемой нефтью

Для существенной экономии оперативной и видео памяти разработаны инновационные подходы реализации самых ресурсоемких модулей программного комплекса Frost 3D Universal:

1) В математическом решателе арифметические операции над числами с плавающей запятой осуществляются с одинарной точностью (используется тип float вместо double). При этом для того, чтобы точность вычислений была не хуже, чем при использовании вычислений с двойной точностью, искомая величина, над которой осуществляются вычисления, – температура, преобразуется из всего диапазона чисел с плавающей запятой одинарной точности к диапазону, в котором происходит ее изменение при решении задачи.

2) Модуль построения расчетной сетки, разработанный под 64 разрядную архитектуру центрального процессора, теперь базируется на новой технологии определения заполненности исходными объектами ячеек сетки, на быстрой методике локализации коллизий между объектами и их разрешения, и на оптимизированном механизме порогового выделения и очистки памяти.

3) Трехмерный визуализатор результатов расчетов, разработанный под 64 разрядную архитектуру центрального процессора и графической карты, теперь выполняет предварительную обработку расчетной сетки, где формирует хешированные структуры данных. Это позволило существенно сэкономить графическую память без потери качества отображения. Помимо этого, для отображения поверхностей используются новейшие инструкции графических ускорителей Nvidia и буферы точек, позволяющие достигать при отображении многомиллионных сеток более 300 кадров в секунду.

Тепловое распределение в мерзлой породе вблизи нефтепровода

Тепловое распределение в мерзлой породе вблизи нефтепровода