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Contexte

L'objectif de ce projet est la réalisation de simulations avancées d'écoulements incompressibles turbulents avec la prise en compte de géométries complexes dans un code de frontières immergées par des techniques de raffinement de maillage, dans un environnement de calcul intensif. Il s’inscrit dans le cadre du LRC COSiMS entre le CEA et l'Institut de Mécanique et d'Ingénierie de Bordeaux. L’I2M développe le code de calcul massivement parallèle Notus (https://notus-cfd.org) pour l’étude d’écoulements incompressibles mono ou multiphasiques, sur des maillages cartésiens avec prise en compte des géométries complexes par des méthodes de frontières immergées (ou IBM - Immersed Boundary Methods) [1-5]. Il a été utilisé récemment dans le cadre d’un grand challenge national de calcul intensif sur le supercalculateur Irene-rome du GENCI/TGCC (jusqu’à 131 072 processeurs) [6].

Le CEA est un acteur majeur du calcul intensif qui prépare les prochains supercalculateurs de taille exaflopique qui s’intéresse à la simulation d’écoulements incompressibles turbulents dans des géométries complexes. Ces écoulements demandent la prise en compte d’une grande variété d’échelles spatio-temporelles (maillage de la couche limite dans des géométries de grandes dimensions pour des écoulements dont le nombre de Reynolds est supérieur à 100 000). Ce projet a pour objectif de lever des verrous scientifiques et technologiques en proposant un outil basé sur des techniques de raffinement de maillage adaptatif (ou AMR - Adaptative Mesh Refinement) tirant partie de la puissance de calcul des supercalculateurs de dernière génération.

Objectifs

La modélisation physique sera basée sur la résolution des équations de Navier-Stokes en formulation incompressible. La turbulence sera modélisée par des approches LES et RANS (k-ω SST). Une approche hybride DES pourra être envisagée. Le besoin de résoudre les plus fines échelles proche paroi nécessite des maillages adaptatifs couplés à des méthodes de frontières immergées et à la prise en compte de la CAO de la géométrie d’étude. Il faut noter que l’approche couplée IBM/AMR proposée permet d’éviter l’étape coûteuse de création d’un maillage non-structuré. La bibliothèque AMReX [7] développée au LBNL, NREL et ANL propose un environnement complet tourné vers le calcul exaflopique et vers les architectures hybrides (CPU/GPU). Elle pourra être couplée avec le code Notus dont les schémas seront adaptés à la nouvelle structure de données et de maillage.

Bibliographie

[1] J. Picot, S. Glockner, Discretization stencil reduction of direct forcing immersed boundary methods on rectangular cells: the Ghost Node Shifting Method, Journal of Computational Physics, 364, pp18-48, 2018
[2] A. M. D. Jost and S. Glockner, Direct forcing immersed boundary methods: Improvements to the Ghost Node Method, Journal of Computational Physics, volume 438, 110371, 2021
[3] A. Lemoine, S. Glockner, J. Breil, Moment-of-Fluid Analytic Reconstruction on 2D Cartesian Grids, Journal of Computational Physics, 328, 131–139, 2017
[4] A. Lemoine. Analytic Gradient for the Moment-of-Fluid Method in Axisymmetric and on General Polyhedrons in Any Dimension. Journal of Computational Physics, Volume 422, 109741, 2020
[5] T. Milcent, A. Lemoine, Moment-of-Fluid Analytic Reconstruction on 3D Rectangular Hexahedrons, Journal of Computational Physics, volume 409, 109346, 2020
[6] S. Glockner, A.M.D. Jost, A. Erriguible, Advanced petascale simulations of the scaling up
of mixing limited flow processes for materials synthesis, Chemical Engineering Journal, volume 431, Part 1, 1 March 2022, 133647.
[7] AMReX, A software framework for massively parallel, block-structured adaptive mesh refinement (AMR) applications, https://amrex-codes.github.io/amrex/

Durée du projet et jalons

La durée est de 24 mois. Dans un premier temps une étude bibliographique portera tant sur les schémas numériques, les solveurs que sur les bibliothèques les plus performantes pour atteindre l’objectif de réaliser des simulations avancées sur des géométries d’intérêt dans un contexte exaflopique. D’autre part, les outils d’immersion de maillages surfaciques développés dans Notus devront être étendus à la nouvelle structure AMR choisie. La résolution du couplage vitesse/pression sera réalisée par des méthodes de time splitting (Timmermans en monophasique, Goda en diphasique) qui conduisent à la résolution d’un Laplacien sur l’incrément de pression. La résolution du système linéaire associé, qui représente plus de la moitié du temps de calcul d’une simulation, sera réalisée avec les bibliothèques les plus performantes (comme Hypre développé au LLNL) tournées elles aussi vers le calcul exaflopique. Les étapes d'implémentation, de vérification, validation des modèles et des méthodes seront poursuivies par un travail d'optimisation et de portage sur les derniers supercalculateurs, avant de réaliser des études et simulations avancées plus précises sur des géométries complexes.

Profil souhaité
Le candidat devra faire preuve d’une solide formation en méthodes numériques et développement associés sur architectures parallèles. Le candidat devra aussi faire preuve d’organisation, de prise d’initiatives, aura un goût prononcé pour le développement de codes et la simulation d'écoulements turbulents. Une excellente maîtrise de différents langages est demandée comme par exemple FORTRAN (2003), MPI, OpenMP, OpenACC, etc.

Candidature
Faire parvenir aux contacts ci-dessous un CV, une lettre de motivation détaillant l’intérêt du/de la candidat(e) pour le sujet, les rapports de thèse (du manuscrit et de la soutenance), les coordonnées de personnes référentes.

Contacts
Dr. Stéphane Glockner – I2M glockner@bordeaux-inp.fr
Dr. Jérôme Breil - CEA jerome.breil@cea.fr
Dr. Antoine Lemoine antoine.lemoine@bordeaux-inp.fr