Apros-simulointiohjelmiston termohydrauliikkaratkaisijan rinnakkaistaminen

Modern computer architectures are developing towards increased use of parallelism. Multicore processors have become the standard in workstations, and cluster systems are getting cheaper. The performance increase brought by parallel hardware can only be utilized by software, if the software supports parallelism. The process simulation software Apros is designed for system scale simulations of industrial process plants, such as nuclear power plants. The algorithms to solve the thermal hydraulics, i.e. the flows, pressure transients and heat transfer, in pipe networks are a central part of the simulator. Particularly, the two-phase flow of water and steam is of great importance in both nuclear and combustion boiler applications. In Apros, the one-dimensional dynamics of the liquid-gas flow are calculated with the six-equation model which is based on the conservation laws of mass, momentum and energy for the separate two phases. In this thesis parallelization of the six-equation algorithm of Apros was designed and implemented using the Message Passing Interface. The implementation was tested by investigating both the correctness of the calculation results and the speedup in parallel execution. Three standard separate effect tests were used for the validation. For two out of the three cases, the results produced by the parallel algorithm corresponded perfectly to the sequential results, while small numerical problems were encountered in one case. The parallelization significantly increased the calculation speed. The speedup was measured as a function of the number of used processes, and maximum speedups between 2.1 and 3.7 were obtained for different test cases. The measurements were carried out on a multicore PC with 8 cores. The results were also compared to the predictions given by Amdahl's law, and the performance of the parallelization was assessed by experimentally determining the serial fraction.Uusien tietokoneiden nopeutuminen perustuu yhä enenevissä määrin rinnakkaisten prosessointiyksiköiden käyttöön. Moniydinprosessorit ovat arkipäivää kuluttajatietokoneissa, ja myös laskentaklusterien hinta on laskenut. Vaikka laitteisto mahdollistaisi rinnakkaisen ajon, yksittäinen ohjelmisto hyötyy tästä vain, jos se tukee rinnakkaislaskentaa. Prosessisimulointiohjelmisto Apros on suunniteltu prosessiteollisuuden laitosten, kuten ydinvoimaloiden, systeemitason simulointiin. Termohydrauliikkaratkaisija, jota ohjelmistossa käytetään putkiverkkojen virtausten, painetransienttien ja lämmönsiirron ratkaisemiseen, on simulaattorin keskeinen osa. Eritoten veden ja höyryn kaksifaasivirtaus on tärkeä osa-alue ydinvoimasovelluksissa. Aprosissa nesteen ja kaasun yksidimensioisen dynamiikan ratkaisemiseen käytetään kuusiyhtälömallia, joka perustuu erikseen molemmille faaseille kirjoitettaviin massan, liikemäärän ja energian säilymislakeihin. Tässä työssä suunniteltiin ja toteutettiin Aprosin kuusiyhtälömallin rinnakkaistus käyttäen MPI:tä (Message Passing Interface) ja viestinvälitysmallia. Tehtyä toteutusta testattiin laskentatulosten oikeellisuuden ja laskennan nopeutumisen osalta. Kahdessa validointimallissa kolmesta rinnakkaistetun algoritmin tuottama tulos vastasi erittäin hyvin sekventiaalisen algoritmin tulosta, kun taas yhdessä mallissa rinnakkaisella versiolla ilmeni pieniä numeerisia ongelmia. Rinnakkaisen algoritmin käyttö nopeutti laskentaa huomattavasti. Laskenta nopeutui maksimissaan 2,1 - 3,7 -kertaiseksi testimallista riippuen. Nopeutumista mitattiin käytettyjen prosessien lukumäärän funktiona, ja mittaukset tehtiin 8- ytimisellä moniydinkoneella. Saatuja mittaustuloksia verrattiin Amdahlin lain antamiin ennusteisiin, ja rinnakkaistuksen suorituskykyä arvioitiin määrittämällä kokeellisesti ohjelman sekventiaalinen osuus