Быстрая оптимизация биореакторов с помощью облачных HPC-вычислений

ANSYS Быстрая оптимизация биореакторов с помощью облачных HPC-вычислений

Применение современных биореакторов очень широко. В них производится множество ежедневно употребляемых продуктов: пиво, йогурт, лекарства. Параметры биореакторов должны быть оптимизированы для производства конкретного продукта. Процесс оптимизации требует длительной работы и большого объема данных.

* HPC (High Performance Computing) — высокопроизводительные вычисления

Первый шаг процесса – постановка численного эксперимента (DoE – Design of Experiments). При этом описываются границы области проектных параметров (design space) и метод их варьирования, после чего формируется множество расчетных точек в пределах заданных диапазонов параметров, впоследствии для них выполняются расчеты. На базе результатов этих расчетов строится поверхность отклика (response surface).

 

ANSYS | Построение поверхности отклика для понимания влияния проектных параметров на характеристики биореактора

 

С учетом необходимого количества расчетов и их сложности стоимость вычислительных кластеров для выполнения оптимизации может быть крайне высокой, зачастую она может привести к отказу от таких расчётов. Выполнение же оптимизации на имеющемся у компаний оборудовании может занимать столько времени, что оптимизация теряет весь смысл. К счастью, на сегодняшний день у инженеров есть выход из этого положения, позволяющий существенно сэкономить и финансы и время. Речь идет о высокопроизводительных вычислениях (HPC – high-performance computing) на основе облачных технологий.

Экономия времени на выполнение расчетов при использовании облачных вычислений

Преимущества расчетов «в облаках» заключается в возможности использования для расчёта гораздо большего числа процессоров, чем обычно. При этом весь процесс оптимизации ускоряется пропорционально ускорению каждого отдельного расчета.

 

ANSYS | Сравнение масштабирования скорости расчёта моделей с различной плотностью сетки

 

Одним из поставщиков услуг в области облачных вычислений по модели программы-как-сервис (программы по запросу, software-as-a-service – SaaS) является компания UberCloud, партнер компании ANSYS. UberCloud предоставляет доступ к мощностям более 50 центров обработки данных по всему миру и обеспечивает следующие преимущества:

  • повышение мобильности за счет использования браузера для доступа к интерфейсу программного обеспечения;
  • мгновенное (без необходимости установки и настройки) использование вычислительных мощностей для решения инженерных задач в CAE программах;
  • масштабирование вычислительных мощностей за счет использования множества счётных узлов.

Для демонстрации возможностей облачного ресурса мы предлагаем пример расчета в UberCloud для проектирования биореактора.

Моделирование биореактора в ANSYS Fluent

ANSYS Fluent имеет возможность моделирования в эйлеровой постановке многофазных потоков (Eulerian multiphase), в которых одновременно присутствуют и жидкости, и газы. Это позволяет рассчитывать процессы, происходящие в биореакторах.

 

ANSYS | Изоповерхности, показывающие области с одинаковым значением объемной доли газа. Цветом показан средний размеров пузырьков

 

Для расчета кавитационных процессов, в ходе которых в жидкости образуются и схлопываются пузырьки газа, используется комбинация модели баланса популяции (эволюции) (population balance model) и спектрального метода моментов (QMOM – Quadrature-based moment methods).

Такая методика дает возможность получить такие распределения, как объемная доля газа и диаметр пузырьков. Эти параметры являются ключевыми для определения скорости массопереноса, которая является показателем эффективности биореакторов.

Все расчеты выполнялись на базе Сингапурского дата-центра UberCloud в облачной среде Microsoft Azure.

Вычисления выполнялись с использованием платформы UberCloud в облачном центре данных Microsoft Azure в Сингапуре. При решении задач по исследованию биореакторов была показана линейная масштабируемость Fluent на UberCloud.

 

ANSYS | Исследование масштабируемости на основе полиэдрической сетки (polyhedral mesh) с количеством ячеек в 688 тысяч

 

Все расчеты проводились в «облаке» на 168 ядрах и занимали менее часа. Для сравнения следует сказать, что тот же расчёт на типичной по характеристикам рабочей станции требует не менее недели. Как итог, благодаря облачным вычислениям выполнение расчетов для всего диапазона изменения конструктивных параметров занял менее 12 часов (что на порядок меньше времени выполнения всего лишь одного расчета на рабочей станции).

После выполнения всех расчетов можно переходить к следующему этапу – построению поверхности отклика от входных параметров. На данном шаге используется функционал ANSYS DesignXplorer. Результат описывает влияние скорости перемешивания и расхода газа в биореакторе на коэффициент массопереноса.

 

ANSYS | Поверхность отклика, характеризующая зависимость среднего значения коэффициента массопереноса от следующих параметров: расход газа и скорость перемешивания

 

Проведенные расчеты доказали: объединение UberCloud с Fluent и DesignXplorer заметно упрощает и ускоряет процесс поиска оптимального набора проектных и рабочих параметров. При этом можно отметить еще одно преимущество: экономия не только времени, но и финансов, ведь от вас не требуется наличие огромного бюджета на создание собственного высокопроизводительного вычислительного кластера.

Более детальная информация о том, как именно UberCloud может ускорить работу продуктов ANSYS, доступна по ссылке.

Источник: ansys.soften.com.ua


Печать   Электронная почта