Numerical methods applied to space magnetohydrodynamics for high performance computing

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2019
Autor(a) principal: Müller Moreira Souza Lopes
Orientador(a): Margarete Oliveira Domingues, Odim Mendes Junior
Banca de defesa: Stephan Stephany, Oswaldo Duarte Miranda, Cayo Prado Fernandes Francisco, Iberê Luiz Caldas
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Computação Aplicada
Departamento: Não Informado pela instituição
País: BR
Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21c/2019/04.02.23.51
Resumo: The study of physical systems related to the space sciences presents several challenges regarding the great variety of phenomena and scales. In particular, magnetohydrodynamic models are applied in space weather to study phenomena that reach the Earths atmosphere, affecting infrastructure services provided to society. In this context, many fields of study complement each other to obtain a better understanding of these systems. Among these approaches are the numerical simulations, which provide an approximated prediction of the system behaviour from a predefined setup. However, in order for this simulations to be viable, they must be performed in a realistic time, which is a challenge for complex models such as the magnetohydrodynamic equations. Thus, the use of adaptive computational meshs that present higher refinements in regions of interest is an effective strategy to reduce the computational time required for simulations. In particular, the simulations of the magnetohydrodynamic equations present a fundamental challenge that is the emergence of a non-realistic divergence over the magnetic field caused by numerical errors, which requires special techniques to be treated in order to maintain the correctness and the numerical stability. This work presents a code for solving magnetohydrodynamic equations using a high-performance environment that allows the use of adaptive meshs and parallel algorithms. Also, a new technique is proposed to overcome the divergence problem. The code is applied in several test problems in order to verify its performance. Then it is applied to a Earth magnetosphere model. As a product of this thesis, an innovative, high-performance tool for the future space weather research conducted at INPE.
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spelling info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisNumerical methods applied to space magnetohydrodynamics for high performance computingMétodos numéricos aplicados a magnetohidrodinâmica espacial para computação de alto desempenho2019-05-02Margarete Oliveira DominguesOdim Mendes JuniorStephan StephanyOswaldo Duarte MirandaCayo Prado Fernandes FranciscoIberê Luiz CaldasMüller Moreira Souza LopesInstituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)Programa de Pós-Graduação do INPE em Computação AplicadaINPEBRAdaptive mesh refinementmagnetohydrodynamicshigh performance computingdivergence cleaningmagnetosphererefinamento de malha adaptivomagnetohidrodinâmicaprocessamento de alto desempenhocorreção de divergênciamagnetosferaThe study of physical systems related to the space sciences presents several challenges regarding the great variety of phenomena and scales. In particular, magnetohydrodynamic models are applied in space weather to study phenomena that reach the Earths atmosphere, affecting infrastructure services provided to society. In this context, many fields of study complement each other to obtain a better understanding of these systems. Among these approaches are the numerical simulations, which provide an approximated prediction of the system behaviour from a predefined setup. However, in order for this simulations to be viable, they must be performed in a realistic time, which is a challenge for complex models such as the magnetohydrodynamic equations. Thus, the use of adaptive computational meshs that present higher refinements in regions of interest is an effective strategy to reduce the computational time required for simulations. In particular, the simulations of the magnetohydrodynamic equations present a fundamental challenge that is the emergence of a non-realistic divergence over the magnetic field caused by numerical errors, which requires special techniques to be treated in order to maintain the correctness and the numerical stability. This work presents a code for solving magnetohydrodynamic equations using a high-performance environment that allows the use of adaptive meshs and parallel algorithms. Also, a new technique is proposed to overcome the divergence problem. The code is applied in several test problems in order to verify its performance. Then it is applied to a Earth magnetosphere model. As a product of this thesis, an innovative, high-performance tool for the future space weather research conducted at INPE.O estudo de sistemas físicos relacionados às ciências espaciais apresentam diversos desafios devido à grande variedade de fenômenos e escalas envolvidos. Em particular, modelos magnetohidrodinâmicos são aplicados em clima espacial para estudar fenômenos que atingem a atmosfera terrestre, os quais podem afetar serviços de infraestrutura oferecidos à sociedade. Neste contexto, diversas áreas de estudo se complementam visando obter um melhor entendimento destes sistemas. Dentre estas abordagens encontram-se as simulações numéricas, que fornecem uma previsão aproximada do comportamento do sistema a partir de uma configuração predeterminada. Porém, para que as simulações sejam viáveis, elas devem ser realizadas dentro de um intervalo de tempo realístico, o que é um desafio para modelos complexos como as equações magnetohidrodinâmicas. Desta forma, o uso de malhas computacionais adaptativas que apresentam maior refinamento em regiões de interesse é uma estratégia efetiva para reduzir o custo computacional requerido por estas simulações. Em particular, as simulações das equações magnetohidrodinâmicas apresentam um desafio inerente associado a emersão de uma divergência não realística sobre o campo magnético causada por erros numéricos, sendo necessário o uso de técnicas especiais para manter a exatidão e a estabilidade numérica. Este trabalho apresenta um código para simular as equações magnetohidrodinâmicas utilizando um ambiente de alto desempenho que permite o uso de malhas adaptativas e algoritmos paralelizados. Além disso, é proposta uma nova técnica para lidar com o problema da divergência. Este código é aplicado em diversos problemas de teste para verificar sua performance, incluindo um modelo de magnetosfera terrestre. Como produto desta tese, obtém-se uma ferramenta inovadora e de alta performance para futuras pesquisas em clima espacial a serem conduzidas pelo INPE.http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21c/2019/04.02.23.51info:eu-repo/semantics/openAccessengreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPEinstname:Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)instacron:INPE2021-07-31T06:56:02Zoai:urlib.net:sid.inpe.br/mtc-m21c/2019/04.02.23.51.15-0Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://bibdigital.sid.inpe.br/PUBhttp://bibdigital.sid.inpe.br/col/iconet.com.br/banon/2003/11.21.21.08/doc/oai.cgiopendoar:32772021-07-31 06:56:02.961Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)false
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O estudo de sistemas físicos relacionados às ciências espaciais apresentam diversos desafios devido à grande variedade de fenômenos e escalas envolvidos. Em particular, modelos magnetohidrodinâmicos são aplicados em clima espacial para estudar fenômenos que atingem a atmosfera terrestre, os quais podem afetar serviços de infraestrutura oferecidos à sociedade. Neste contexto, diversas áreas de estudo se complementam visando obter um melhor entendimento destes sistemas. Dentre estas abordagens encontram-se as simulações numéricas, que fornecem uma previsão aproximada do comportamento do sistema a partir de uma configuração predeterminada. Porém, para que as simulações sejam viáveis, elas devem ser realizadas dentro de um intervalo de tempo realístico, o que é um desafio para modelos complexos como as equações magnetohidrodinâmicas. Desta forma, o uso de malhas computacionais adaptativas que apresentam maior refinamento em regiões de interesse é uma estratégia efetiva para reduzir o custo computacional requerido por estas simulações. Em particular, as simulações das equações magnetohidrodinâmicas apresentam um desafio inerente associado a emersão de uma divergência não realística sobre o campo magnético causada por erros numéricos, sendo necessário o uso de técnicas especiais para manter a exatidão e a estabilidade numérica. Este trabalho apresenta um código para simular as equações magnetohidrodinâmicas utilizando um ambiente de alto desempenho que permite o uso de malhas adaptativas e algoritmos paralelizados. Além disso, é proposta uma nova técnica para lidar com o problema da divergência. Este código é aplicado em diversos problemas de teste para verificar sua performance, incluindo um modelo de magnetosfera terrestre. Como produto desta tese, obtém-se uma ferramenta inovadora e de alta performance para futuras pesquisas em clima espacial a serem conduzidas pelo INPE.
description The study of physical systems related to the space sciences presents several challenges regarding the great variety of phenomena and scales. In particular, magnetohydrodynamic models are applied in space weather to study phenomena that reach the Earths atmosphere, affecting infrastructure services provided to society. In this context, many fields of study complement each other to obtain a better understanding of these systems. Among these approaches are the numerical simulations, which provide an approximated prediction of the system behaviour from a predefined setup. However, in order for this simulations to be viable, they must be performed in a realistic time, which is a challenge for complex models such as the magnetohydrodynamic equations. Thus, the use of adaptive computational meshs that present higher refinements in regions of interest is an effective strategy to reduce the computational time required for simulations. In particular, the simulations of the magnetohydrodynamic equations present a fundamental challenge that is the emergence of a non-realistic divergence over the magnetic field caused by numerical errors, which requires special techniques to be treated in order to maintain the correctness and the numerical stability. This work presents a code for solving magnetohydrodynamic equations using a high-performance environment that allows the use of adaptive meshs and parallel algorithms. Also, a new technique is proposed to overcome the divergence problem. The code is applied in several test problems in order to verify its performance. Then it is applied to a Earth magnetosphere model. As a product of this thesis, an innovative, high-performance tool for the future space weather research conducted at INPE.
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