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Lehrstuhl für Theoretische Elektrotechnik


Prof. Dr. rer. nat. Markus Clemens

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Internes Forschungsprojekt

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Numerische Methoden zur Beschleunigung von nichtlinearen dreidimensionalen elektro-quasistatischen Feldsimulationen

Mitarbeiter:

Jennifer Dutiné, M.Sc.

Fotios Kasolis, Dr.

Christian Richter, M.Sc

Projektbeschreibung:

Die Simulation elektrischer Feldverteilungen an komplexen Systemen der elektrischen Hochspannungstechnik mit nichtlinearen Feldsteuerungsmaßnahmen erfordert eine Problemmodellierung unter elektro-quasistatischen Annahmen. Diese Simulationen werden im Zeitbereich durchgeführt, da die stark nichtlinearen Strom-Spannungs-Charakteristiken der Feldsteuermaterialien den Einsatz von Frequenz-bereichsmethoden erschweren. Die numerische Berechnung mithilfe von impliziten Zeitintegrationsverfahren erfordert die wiederholte Lösung von hochdimensionalen und schlecht konditionierten nichtlinearen bzw. im Rahmen von Newton-Raphson-Iterationen – linearen algebraischen Gleichungssystemen. Die resultierenden Rechenzeiten auf aktuellen Hochleistungsrechnern liegen immer noch im Bereich von wenigen Minuten bis hin zu mehreren Tagen für einen Systemdurchlauf. In diesem Forschungsprojekt werden verschiedene mathematische Verfahren und Implementierungstechniken für eine erhebliche Beschleunigung zur Effizienz-steigerung dieser Simulationsläufe untersucht. Diese Techniken umfassen den Einsatz verbesserter parallelisierter Lösungsverfahren für die linearen algebraischen Gleichungssysteme auf der Basis von modernen Gebietszerlegungsmethoden, Deflationierungs-, Multiple-rechte-Seiteund Startwertgenerierungstechniken. Zudem sollen geeignete Techniken für den Einsatz von dediziierten Hardwarebeschleunigern auf der Basis von Graphikkartenprozessoren (General Purpose Graphics Processor Units, GPGPUs) untersucht werden. Die Forschungsarbeiten werden an dem am Lehrstuhl entwickelten Simulationsprogramm MEQSICO (Magneto-/Electro-Quasistatic Simulation COde) umgesetzt. Die Wirksamkeit der einzelnen Maßnahmen wird jeweils an einem umfangreichen Katalog von Benchmarkproblemen verifiziert und festgehalten.


Laufzeit:

2010 -- laufend


Drittmittelgeber:

Eigenmittel


Schlagworte:

Elektro-quasistatische Felder, elektrische Energieübertragung, nichtlinearen elektrische Feldsteuerung, implizite Zeitintegrationsverfahren, Numerische Lineare Algebra, Parallele Implementierungen, gebietszerelgungsmethoden, GPGPU Computing


Veröffentlichungen:

 

J. Dutiné und M. Clemens, Parallel-In-Time Integration of Nonlinear Transient Electroquasistatic Field Problems Using Parareal, 11th International Symposium on Electric and Magnetic Fields (EMF 2018), 10.-12.04.2018, Darmstadt, Germany. Abstract accepted.

 

C. Richter, S. Schöps und M. Clemens, GPU Accelerated Explicit Time Integration Methods for Electro-Quasistatic Fields, IEEE Transactions on Magnetics, vol. 53, no. 6, June 2017. Early access title. (DOI: 10.1109/TMAG.2017.2662234)

 

C. Richter, S. Schöps, J. Dutiné, R. Schreiber und M. Clemens, Transient Simulation of Nonlinear Electro-Quasistatic Field Problems Accelerated by Multiple GPUs, IEEE Transactions on Magnetics, vol. 52, no. 3, March 2016

(DOI: 10.1109/TMAG.2015.2466602)

 

C. Richter, S. Schöps und M. Clemens, Multi-GPU Acceleration of Algebraic Multigrid Preconditioners for Elliptic Field Problems, IEEE Transactions on Magnetics, vol. 51, no. 3, March 2015

(DOI: 10.1109/TMAG.2014.2357332)

 

C. Richter, S. Schöps und M. Clemens, GPU Acceleration of Algebraic Multigrid Preconditioners for Discrete Elliptic Field Problems, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 50, No. 2, February 2014.

(DOI: 10.1109/TMAG.2013.2283099)

 

E. Scholz, H. Ye, S. Schöps und M. Clemens, A Parallel FEM Matrix Assembly for Nonlinear Problems on GPGPU Systems, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 49, No. 5, p. 1801 - 1804, Mai 2013.

(DOI: 10.1109/TMAG.2013.2239624)

 

D. Weida, T. Steinmetz und M. Clemens, Improved Accuracy of Electro-Quasistatic Simulations of Large-Scale 3D High Voltage Insulators With Nonlinear Material Layers, COMPEL, Vol. 30, No. 3, pp. 1109-1117, 2011.

(DOI: 10.1108/03321641111111031)