Computational study of microplastic transport at the water-air interface with a memory-optimized lattice Boltzmann method

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Lehmann, Moritz:
Computational study of microplastic transport at the water-air interface with a memory-optimized lattice Boltzmann method.
Bayreuth , 2023 . - 230 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00006977

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Abstract

Microplastics are a global pollutant. The microscopic particles can reach every place on the globe through wind and weather. Humans introduce ever more plastic via the rivers into the oceans, where it breaks down into microplastic. A part of it sinks to the ocean floor, a part remains in bulk, and a part floats on the ocean surface. I investigate how microplastic can get from the ocean surface into the atmosphere, to be transported by wind over vast distances, possibly even on land.

For the transition of particles from water to air, all mechanisms where small droplets are ejected are conceivable. Besides wave action during windy conditions and the bursting of bubbles on the surface, impacting raindrops could also contribute to the transfer. I study the latter mechanism in detail using computer simulations.

The simulation of an impacting raindrop allows precise measurement of each ejected spray droplet and counting contained particles. For statistical analysis of droplets and particles, I simulate many hundreds of these impacts. The concentration of particles in spray droplets resembles that at the water surface, meaning that the water from the raindrop, which is initially devoid of particles, for the most part does not get into droplets, but mainly sea water instead. Larger raindrops eject much more droplets and particles into the air, but occur much less frequent in nature than smaller raindrops. Using the Marshall-Palmer distribution of raindrop size and Rice-Holmberg distribution of rain intensity, I estimate the environmental relevance based on the simulation results: The transport of microplastic from the sea surface into the atmosphere by impacting raindrops is possible, especially during strong winds; but the estimated global flux of less than 10^14 particles annually is small compared to other transport mechanisms like bursting of bubbles on the sea surface, and small compared to transport processes across other environmental compartments.

The particle concentration of microplastic at the sea surface, and why it is larger than in bulk, is of key importance for understanding water-air transport. One possibility how concentration at the surface can be enriched is when particles in bulk attach to rising air bubbles. I investigate this process in simulation specifically for microplastic, and find that aged particles are less affected by bubble scavenging compared to pristine particles which due to their hydrophobic surface better adhere to bubbles.

I also investigate the lateral transport of microplastics at the water-air interface in terrestrial environments, by simulating the flow profile of a thin water film on a rough plate, and I am able to explain the transporting behavior of particles on the plate with the microrelief.

The simulations in this thesis pose a computational workload so large that existing computational fluid dynamics (CFD) software could not handle it in a realistic time frame. Only with my self-written simulation software FluidX3D - based on the lattice Boltzmann method (LBM) with Volume-of-Fluid extension, and implemented in OpenCL for graphics processing units (GPUs) - this is feasible, due to the excellent computational efficiency and the very fast video memory of GPUs.
Still the big issue with the LBM remains: the enormous memory demand that severely limits maximum grid resolution on GPUs. To reduce memory demand to 1/6 compared to two-grid FP64 implementations, I develop two new methods:

1) A new set of in-place streaming schemes to make the LBM require only a single copy of the computational grid in memory instead of two. There have already been solutions for this, like AA-Pattern and Esoteric-Twist, but these have never found widespread adoption due to several disadvantages. Based on the idea of Esoteric-Twist, I introduce two new streaming schemes termed Esoteric-Pull and Esoteric-Push that offer the same advantages, but are much simpler in implementation and are even slightly faster due to a more efficient memory access pattern.

2) Memory compression of the LBM density distribution functions to 16-bit number formats by separation of arithmetic precision and memory precision. After finding that FP32 produces the same accuracy as FP64 in all but corner cases with a detailed comparison study on six systems, I reduce memory precision to 16-bit with several arithmetic optimizations, and investigate how different floating-point and posit formats perform. With a re-scaled IEEE-754 FP16S, and a self-designed, more accurate FP16C format, the simulations succeed with only insignificant reduction in overall accuracy.

I also eliminate the very slow file export of gigantic volumetric datasets to the hard drive, by allowing to render simulation results directly in the fast video memory of the GPU and only needing to store image files and processed final simulation results.

The FluidX3D software resulting from my work, published on GitHub, reduces computation time significantly compared to existing CFD software. Possible applications extend far beyond my research on microplastics and cover aerospace, traffic, medical applications, industrial processes and countless areas of research.

Abstract in weiterer Sprache

Mikroplastik ist ein Umweltschadstoff mit globaler Ausbreitung. Die mikroskopischen Partikel können durch Wind und Wetter an jeden Ort der Welt gelangen. Der Mensch bringt immer neues Plastik über die Flüsse in die Ozeane, wo es sich zu Mikroplastik zersetzt. Ein Teil davon sinkt auf den Meeresgrund, ein Teil verweilt in unterschiedlichen Tiefen, und ein Teil schwimmt auf der Meeresoberfläche. Ich untersuche wie Mikroplastik von der Wasseroberfläche in die Atmosphäre gelangen kann, sodass es als Aerosol vom Wind über große Distanzen, sogar zurück an Land, transportiert werden kann.

Für den Übergang der Partikel aus dem Wasser in die Luft sind alle Mechanismen denkbar, bei denen kleine Tröpfchen in die Luft geschleudert werden. Neben Wellenbewegung bei Wind und dem Platzen von Luftblasen an der Oberfläche könnte auch das Einschlagen von Regentropfen zum Transport beitragen. Letzteren Mechanismus erforsche ich im Detail mit Computersimulationen.

Die Simulation eines einschlagenden Regentropfens erlaubt die genaue Vermessung von jedem der hochgeschleuderten Tröpfchen und das Zählen der Partikel darin. Für eine statistische Erfassung der Tröpfchen und Partikel simuliere ich viele hunderte solcher Einschläge. Die Konzentration der Partikel in den Tröpfchen entspricht nahezu der an der Wasseroberfläche, was bedeutet, dass das von Partikeln freie Regenwasser zum Großteil nicht in die Tröpfchen geangt, sondern hauptsächlich Meerwasser. Größere Regentropfen schleudern deutlich mehr Tröpfchen und Partikel in die Luft, kommen jedoch in der Natur sehr viel seltener vor als kleine Regentropfen. Mit der Marshall-Palmer Verteilung der Regentropfengröße und der Rice-Holmberg Verteilung der Regenintensität schätze ich aus den Simulationsdaten die Umweltrelevanz ab: Der Transport von Mikroplastik von der Meeresoberfläche in die Atmosphäre durch einschlagende Regentropfen ist möglich, insbesondere bei starkem Wind; jedoch ist die geschätzte globale Menge von jährlich maximal 10^14 Partikeln gering verglichen mit anderen Transportprozessen wie dem Platzen von Luftblasen an der Meeresoberfläche, sowie verglichen mit Transportprozessen in anderen Bereichen der Umwelt.

Von entscheidender Bedeutung für den Wasser-Luft Transport von Mikroplastik ist die Partikelkonzentration an der Meeresoberfläche, und warum diese höher ist als die Konzentration in tieferen Schichten. Eine Möglichkeit, wie Partikel an der Oberfläche angereichert werden können, ist wenn sich diese an aufsteigende Luftblasen anheften. Ich untersuche diesen Prozess mit Simulationen speziell für Mikroplastik, und stelle fest, dass gealterte Partikel davon weniger betroffen sind als neue Partikel, die durch ihre hydrophobe Oberfläche eher an Blasen haften bleiben.

Ich untersuche außerdem den lateralen Transport von Mikroplastik an der Wasser-Luft Grenzfläche in terrestrischen Umgebungen, indem ich das Strömungsprofil eines dünnen Wasserfilms auf einer rauen Platte simuliere, und kann damit das Transportverhalten von Partikeln auf der Platte mit dem Mikrorelief erklären.

Die Simulationen in meiner Arbeit stellen einen enormen Rechenaufwand dar, der mit bisheriger computational fluid dynamics (CFD) Software nicht in realistischer Zeit zu bewältigen ist. Erst mit meiner selbst entwickelten Simulationssoftware FluidX3D - basierend auf der Lattice Boltzmann Methode (LBM) mit Volume-of-Fluid Erweiterung und implementiert in OpenCL auf Grafikkarten (GPUs) - gelingt die Durchführung dank herausragender Recheneffizienz und dem sehr schnellen Videospeicher moderner GPUs.
Dennoch bleibt das große Problem der LBM bestehen: der enorme Speicherbedarf, durch den auf GPUs nicht allzu hohe Gitterauflösung möglich ist. Um den Speicherbedarf verglichen mit zwei-Gitter FP64 Implementierungen auf etwa 1/6 zu reduzieren, entwickle ich zwei neue Methoden:

1) Ein neues Schema für in-place streaming, damit die LBM nur eine Kopie des Gitters im Speicher benötigt anstatt zwei. Hierfür gab es bereits Lösungen wie AA-Pattern und Esoteric-Twist, die jedoch aufgrund unterschiedlicher Nachteile bisher keine große Verbreitung gefunden haben. Aufbauend auf der Idee von Esoteric-Twist führe ich zwei neue Streaming-Schemata names Esoteric-Pull und Esoteric-Push ein, die dieselben Vorteile bieten, jedoch erheblich einfacher zu implementieren sind und dank effizienterem Speicher-Zugriffsmuster sogar etwas schneller sind.

2) Speicherkompression für die LBM density distribution functions in 16-bit Zahlenformate durch Trennung von arithmetischer Genauigkeit und Speichergenauigkeit. Nachdem ich in einer ausführlichen Vergleichsstudie anhand von sechs Systemen feststelle, dass FP32 bis auf in Ausnahmefällen die selbe Genauigkeit liefert wie FP64, reduziere ich mithilfe einiger arithmetischer Optimierungen die Speichergenauigkeit bis auf 16-bit, wobei ich unterschiedliche Fließkomma- sowie Posit-Formate untersuche. Mit skaliertem IEEE-754 FP16S und einem selbst entwickelten, genaueren FP16C Zahlenformat gelingen die Simulationen mit insgesamt keiner signigikanten Reduktion der Genauigkeit.

Zudem eliminiere ich den sehr langsamen Dateiexport riesiger volumetrischer Datensätze auf die Festplatte, indem ich die Simulationsergebnisse direkt im schnellen Videospeicher der GPU rendern kann, und nur noch die Bilddateien und Endergebnisse der Datenauswertung zu speichern brauche.

Die aus meiner Arbeit entstandene FluidX3D Software, veröffentlicht auf GitHub, verkürzt die Rechenzeit verglichen mit bestehender CFD Software erheblich. Die möglichen Anwendungen gehen weit über meine Forschung an Mikroplastik hinaus und beinhalten Luft- und Raumfahrt, Verkehr, Medizin, industrielle Prozesse und zahllose Bereiche der Grundlagenforschung.