| Impressum | 3 |
| Kurzfassung | 9 |
| Abstract | 10 |
| Inhaltsverzeichnis | 11 |
| Nomenklatur | 15 |
| 1 Zweck und Ziel der Arbeit | 17 |
| 1.1 Einführung in die Problemstellung | 17 |
| 1.2 Verwendung von Brand- und Rauchsimulationsrechnungen | 20 |
| 1.3 Abgrenzung zu alternativen Fragestellungen | 22 |
| 1.4 Zusammenfassung der Forschungsziele | 24 |
| 1.5 Vorgehensweise | 25 |
| 2 Stand des Wissens und der Technik | 26 |
| 2.1 Einführung in die Modellbildung | 26 |
| 2.2 Lufteinmischung in einen freien linienförmigen Brandherd | 27 |
| 2.3 Die „BRE Spill-Plume-Methode“ für den Überlaufplume | 28 |
| 2.4 Alternative Berechnungsansätze | 30 |
| 2.4.1 Law [30] (1986) | 30 |
| 2.4.2 Thomas [12] (1987) | 31 |
| 2.4.3 Law [33] (1995) | 32 |
| 2.4.4 Poreh [11] (1998) | 33 |
| 2.4.5 Thomas et. al. [35] (1998) | 34 |
| 2.4.6 Harrison und Spearpoint [5] (2008) | 35 |
| 2.4.7 Ko et. al. [9] (2008) | 36 |
| 2.4.8 NFPA 92B [36] (2009) | 37 |
| 2.4.9 Harrison und Spearpoint [37] (2010) | 37 |
| Teil A / Numerische Brand- und Rauchsimulation unter Verwendung von GPU-Prozessortechnologie | 39 |
| 3 Einführung in die GPU-Technologie | 40 |
| 3.1 Grundlagen der GPU-Technik | 41 |
| 3.2 Hardware im GPGPU-Bereich | 43 |
| 3.3 Überblick über das CUDA-Programmiermodell | 45 |
| 4 Entwicklung einer GPU-Version für den Fire Dynamics Simulator (FDS) | 47 |
| 4.1 Die Software „Fire Dynamics Simulator (FDS)“ | 47 |
| 4.2 Paralleles Rechnen mit FDS (Version 5.4) | 48 |
| 4.3 Überblick über die neue GPU-Version | 51 |
| 4.3.1 Beschreibung des Programm-Modells | 52 |
| 4.3.2 Arithmetic Intensity Problem | 54 |
| 4.3.3 Rechengenauigkeit | 55 |
| 4.3.4 Ein- und Mehrnetzrechnungen | 56 |
| 4.4 Programmtechnische Umsetzung | 57 |
| 4.4.1 Parallelisierungsschema | 57 |
| 4.4.2 Neuordnung von Speicherbereichen | 58 |
| 4.4.3 Parallele Reduktion (parallel reduction) | 60 |
| 4.4.4 Dokumentation neuer Eingabeparameter | 61 |
| 4.4.5 Versionsänderungen | 61 |
| 4.5 Parallelisierung der Algorithmen zum Strahlungswärmetransport | 62 |
| 4.5.1 Grundlagen des Wärmetransports über Strahlung | 62 |
| 4.5.2 Numerische Lösung der Transportgleichung mit der Finite-Volumen-Methode (FV-Methode) | 64 |
| 4.5.3 Modellierung des Strahlungswärmetransports in FDS | 66 |
| 4.5.4 Möglichkeiten zur Parallelisierung der Finite-Volumen-Methode | 69 |
| 4.5.4.1 Angular Decomposition Parallelization (ADP-Verfahren) | 69 |
| 4.5.4.2 Spatial Domain Decomposition Parallelization (DDP-Verfahren) | 70 |
| 4.5.4.3 Der KBA-Algorithmus für orthogonale Netze | 71 |
| 4.5.5 Anpassung des KBA-Verfahrens an GPU-Systeme | 74 |
| 4.5.6 Implementierung des KBA-Verfahrens in FDS | 77 |
| 4.5.7 Zusammenfassung | 79 |
| 4.6 Entwicklung eines Profilers | 79 |
| 5 Verifikation und Performance | 80 |
| 5.1 Verifikation im Diagnosemodus (diagnostic mode) | 81 |
| 5.2 Beispiel 1: Isothermer Freistrahl | 83 |
| 5.2.1 Theoretische und experimentelle Grundlagen | 83 |
| 5.2.2 Zusammenfassung bisheriger Untersuchungen | 84 |
| 5.2.3 Verifizierung der GPU-Version | 85 |
| 5.2.4 Rechenleistung / Performance | 88 |
| 5.2.5 Zusammenfassung | 89 |
| 5.3 Beispiel 2: Strahlung in einer Box | 89 |
| 5.3.1 Theoretische Grundlagen | 90 |
| 5.3.2 Verifizierung der GPU-Version | 90 |
| 5.3.3 Rechenleistung / Performance | 92 |
| Teil B / Simulation von Spill Plumes in Atrien | 93 |
| 6 Numerische Simulation von Spill Plumes in Atrien | 94 |
| 6.1 Zusammenfassung der Versuche nach Harrison [10] und [4] | 94 |
| 6.1.1 Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung | 94 |
| 6.1.2 Ergebnisse aus den Versuchsreihen | 97 |
| 6.1.3 Diskussion der Ergebnisse | 97 |
| 6.2 Beschreibung des Computermodells | 98 |
| 6.2.1 Anordnung von virtuellen Messfühlern | 100 |
| 6.2.2 Vorlaufzeiten für die stationäre Problemstellung | 101 |
| 6.3 Modellvalidierung: Strömung am Überlaufrand | 103 |
| 6.3.1 Zusammenfassung der Berechnungsergebnisse | 104 |
| 6.3.2 Diskussion der Ergebnisse | 105 |
| 6.4 Modellvalidierung: Massenstrom im aufsteigenden Plume (ohne Atrium) | 105 |
| 6.4.1 Zusammenfassung der Berechnungsergebnisse | 106 |
| 6.4.2 Diskussion der Ergebnisse | 107 |
| 6.5 Modellvalidierung: Massenstrom im aufsteigenden Plume (mit Atrium) | 109 |
| 6.5.1 Zusammenfassung der Berechnungsergebnisse | 110 |
| 6.5.2 Diskussion der Ergebnisse | 110 |
| 6.6 Parameterstudie: Massenstrom im aufsteigenden Plume (ohne Atrium) | 112 |
| 6.6.1 Zusammenfassung der Berechnungsergebnisse | 113 |
| 6.6.2 Entwicklung einer Näherungsformel für den freien Plume | 113 |
| 6.7 Parameterstudie: Massenstrom im aufsteigenden Plume (mit Atrium) | 115 |
| 6.7.1 Zusammenfassung der Berechnungsergebnisse | 116 |
| 6.7.2 Entwicklung einer Näherungsformel für die Masseneinmischung | 118 |
| 6.7.3 Bewertung der bestehenden Näherungsformeln | 120 |
| 7 Zusammenfassung und Ausblick | 121 |
| 7.1 Einsatz der GPU-Prozessortechnologie in der Brand- und Rauchsimulation | 121 |
| 7.2 Entwicklung von Näherungsformeln für den Massenstrom im Überlaufplume innerhalb von Atrien | 123 |
| Literaturverzeichnis | 125 |
| Anlagenteil A / Grundlagen paralleler Rechentechnik | 132 |
| A.1 Flynnsche Klassifizierung für Parallelrechner | 133 |
| A.2 Parallelrechner mit gemeinsamen oder verteiltem Speicher | 134 |
| A.3 ECC-Fehlerschutz für den Hauptspeicher | 136 |
| A.4 Explizite und implizite Parallelisierung | 137 |
| A.5 Parallele Effizienz und Leistungssteigerung (SpeedUp) | 138 |
| A.6 Die Programmiermodelle MPI und OpenMP | 140 |
| Anlagenteil B / Beispielrechnung zur BRE Spill-Plume-Methode | 142 |
| Anlagenteil C / Auszug aus dem Quelltext zum Multi-Wellenfrontalgorithmus | 146 |
| Anlagenteil D / Beispiele zur Verifi zierung der GPU-Version | 150 |
| D.1 Isothermer Freistrahl ohne Vorströmung (Modellgeometrie A) | 151 |
| D.2 Isothermer Freistrahl mit Vorströmung (Modellgeometrie B) | 154 |
| Anlagenteil E / Parameterstudie zu Spill Plumes in Atrien | 157 |
