Transport périodique d’interfaces diphasiques dans le code HPC TRUST/TrioCFD

Labo d'accueil : CEA Saclay - ISAS/DES/DM2S/STMF/LGLS
Encadrants : Anida KHIZAR (anida.khizar@cea.fr), Guillaume BOIS (guillaume.bois@cea.fr), Adrien BRUNETON (adrien.bruneton@cea.fr)
Démarrage : mars 2023

Pour évaluer la sûreté des installations nucléaires, le CEA développe, valide et utilise des outils de simulation en thermohydraulique. Il s’intéresse en particulier à la modélisation des écoulements diphasiques eau-vapeur par différentes approches de la plus fine à la plus intégrale. La simulation fine (DNS, Simulation Numérique Directe diphasique) joue un rôle particulier en produisant des données de référence, ensuite comparées aux modèles à plus grande échelle. Cette démarche est appliquée à des écoulements de plus en plus complexes, dans le but, à terme, de mieux prédire le déclenchement de la crise d’ébullition.
Pour produire ces données, le service a développé une méthode de simulation fine diphasique (Front-Tracking). Cette méthode est implémentée dans notre code Open-Source de thermo-hydraulique: TRUST/TrioCFD (code orienté objet, C++) . Elle permet de réaliser des simulations massivement parallèles pour décrire finement les interfaces et les structures turbulentes sans recourir à des modèles. Le code a été employé avec succès sur plusieurs applications d’écoulements à bulles pour améliorer la compréhension de la turbulence et des transferts qui doivent être modélisés.
D'un point de vue informatique, le code est intégralement écrit en C++ et se base sur un parallélisme de type SPMD (Single Process Multiple Data) mis en œuvre grâce au standard MPI. Le domaine de calcul est découpé en sous-parties traitées chacune par un processeur. L'échange d'information entre les processeurs se fait par l'adjonction aux bords de chaque sous-domaine d'éléments fantômes (ghost cells) servant de vecteur d'échange avec les processeurs voisins.
D'un point de vue physique, la méthode Front-Tracking offre une grande précision des résultats mais elle est associée au suivi d’un maillage surfacique mobile et déformable (le Front), immergé dans une grille volumique fixe (maillage dit Eulérien). La qualité de ce maillage est importante. Les interactions entre les deux grilles sont complexes, surtout au niveau de la gestion des conditions aux limites. En particulier, afin de simuler des écoulements turbulents sur un petit domaine représentatif, il est nécessaire d’appliquer des conditions aux limites périodiques sur certains bords du domaine. Ainsi dans ces directions, les grandeurs physiques se raccordent continûment d'un bord à l'autre du domaine. Cependant, il est alors difficile de maintenir la connectivité nécessaire sur le Front pour évaluer la courbure par exemple.
Actuellement, l'implémentation informatique sous-jacente de la périodicité est présente uniquement dans une application très spécifique de TrioCFD, nommée TrioIJK, qui gère uniquement des maillages cartésiens réguliers. On y fait appel à un domaine étendu dans lequel le front d'interface est dupliqué artificiellement de part et d'autres des bords du domaine. Cette approche est lourde, complexe et limitée à la simulation de petites bulles. Une nouvelle méthode a donc été développée pour remplacer ce mécanisme par l'utilisation de cellules fantômes de part et d'autre des bords périodiques, ce qui rend le code plus flexible et allège son empreinte mémoire.

L'objectif du stage est de passer en revue la nouvelle méthode de traitement des conditions limites de périodicité, de la consolider et d’appliquer un traitement similaire aux conditions limites périodiques dans TRUST/TrioCFD.

Lieu :
Le stage se déroulera dans les locaux du DES/ISAS/DM2S/STMF/LGLS au CEA Saclay. Un système de navette permet de s'y rendre depuis plusieurs points de départ autour de Paris, et en banlieue.

Compétences :

• solides connaissances de base en C++, avec idéalement des connaissances sur le parallélisme
• scripting Python, shell et une aisance avec l'environnement Linux en général
• des connaissances sur la gestion de version GIT seront appréciées.

Rémunération : la rémunération est fixée par les grilles du CEA et dépend de la formation initiale du (de la) candidat(e) retenu(e).