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Couplage

Nos activités sur le couplage regroupent le développement de logiciels et les travaux sur les méthodes de couplage. Le développement de logiciels de couplage est un domaine d’expertise reconnu du CERFACS depuis la première sortie du coupleur OASIS en 1993, spécialisé dans les composants de couplage du système Terre. L’expertise CERFACS en couplage de code est encore renforcée avec le développement du coupleur OpenPALM plus généraliste, dont la principale différence par rapport à OASIS est le lancement dynamique des composants couplés ainsi que l’interpolation générique entre différents types de grilles grâce à la bibliothèque CWIPI développée par l’ONERA. Au-delà de ces développements techniques, le CERFACS est également impliqué dans différents projets sur les méthodes de couplage, avec les travaux sur les incohérences dans la représentation de l’interface océan-atmosphère, sur le couplage hydrologique multidimensionnel ainsi que dans la dynamique des fluides numérique pour les simulations couplées multi-physique et multi-composants.

Le coupleur OASIS3-MCT

Le coupleur OASIS est un logiciel open source développé au CERFACS pour coupler des codes numériques modélisant les différents composants du système Terre. OASIS3-MCT fournit un couplage entièrement parallèle, tant pour la communication que pour le remaillage des champs de couplage, en utilisant le Model Coupling Toolkit (MCT), développé par l’Argonne National Laboratory (USA).

L’enquête réalisée en 2019 auprès des utilisateurs a confirmé qu’OASIS3-MCT est utilisé par au moins 67 groupes de modélisation pour assembler plus de 80 applications couplées différentes sur les 5 continents. Ces applications incluent des configurations globales ou régionales de modèles océaniques et atmosphériques mais aussi des modèles de glace de mer, de niveau de la mer, de vagues, de biogéochimie océanique, de terre, de végétation, de tracé fluvial, de chimie hydrologique et atmosphérique. En particulier, OASIS3-MCT est utilisé dans 5 des 7 modèles du système Terre européens participant à CMIP6.

Localisation des 67 groupes de modélisation à travers le monde utilisant OASIS3-MCT

Pour plus d’information :  site web OASIS

Contact au CERFACS : Sophie Valcke

Le coupleur OpenPALM

Les principales avantages du coupleur OpenPALM sont sa simplicité de mise en place d’applications complexes, sa flexibilité, ses performances, les mises à jour et évolutions simplifiées des applications couplées et les nombreux services et fonctions annexes qu’il propose. Le coupleur OpenPALM est composé de trois éléments principaux: PALM, CWIPI et PrePALM.

PALM (Projet d’Assimilation par Logiciel Multimethodes) a été conçu à l’origine pour les algorithmes d’assimilation de données océanographiques, mais son domaine d’application s’étend à tous les types d’applications scientifiques. Les principales caractéristiques de PALM sont le lancement dynamique des composants couplés, l’indépendance totale des composants par rapport à l’algorithme d’application, les échanges de données parallèles avec redistribution et la séparation de la physique des manipulations algébriques effectuées par la boîte à outils d’algèbre PALM. Le coupleur peut être défini comme dynamique pour sa capacité à traiter des situations où la planification d’exécution des composants et les modèles d’échange de données ne peuvent pas être entièrement définis avant l’exécution.

CWIPI (Coupling With Interpolation Parallel Interface – ONERA) vise à fournir une couche de communication entièrement parallèle (MPI) pour le couplage de codes parallèles basé sur des domaines discrétisés. Le couplage se fait au travers des zones d’échange 1D, 2D ou 3D qui peuvent être discrétisées de différentes manières dans les codes couplés avec une description non structurée. Les fonctionnalités CWIPI impliquent la construction du graphe de communication entre interfaces géométriques distribuées par localisation géométrique, interpolation sur des maillages non coïncidents, échange de champs de couplage pour des applications massivement parallèles ainsi que la construction de fichiers de visualisation.

Les applications OpenPALM sont implémentées via une interface utilisateur graphique (GUI) appelée PrePALM. Dans cette interface, le programmeur définit initialement l’algorithme de couplage: nombre de composants, sections séquentielles et parallèles, boucles et exécutions conditionnelles, gestion des ressources. Puis il décrit les communications réelles entre les composants. Des options de synchronisation, de gestion de la mémoire et de calcul parallèle peuvent être définies à ce niveau et elles permettent la mise en œuvre d’applications efficaces et flexibles.

Pour plus d’informations : site Web OpenPalm

Contact au CERFACS : Florent Duchaine

Représentation de l’interface océan-atmopshère

Le CERFACS contribue également à une meilleure représentation des interactions air-mer dans les modèles couplés, en travaillant notamment sur les incohérences liées à la discrétisation en espace et en temps. Dans l’espace, les incohérences physiques résultent de la différence des grilles numériques utilisées par les modèles atmosphérique et océanique; les travaux sur ce thème impliquent le concept d’une «grille d’échange». Dans le temps, les algorithmes de couplage asynchrones actuels ne permettent pas un phasage correct de l’océan et de l’atmosphère, et donc induisent des biais dans l’estimation des maxima quotidiens du cycle journalier.

Une façon d’obtenir une interface cohérente consiste à implémenter des itérations de Schwarz tout en couplant les modèles.Le principe de la méthode est de répéter chaque période de couplage plusieurs fois, avec la même condition initiale pour chaque itération, mais avec des conditions aux limites calculées par l’autre modèle pour la même période lors de l’itération précédente. Ceci est répété jusqu’à la convergence des variables de surface et des flux. Des itérations de Schwarz ont été implémentées dans des simulations utilisant CNRM-CM6-1D, une version à une seule colonne de CNRM-CM6-1. Des simulations d’une journée avec des périodes de couplage de 300 s, 3600 s, 3 h, 6 h et 12 h. ont été réalisées.

Amélioration du cycle journalier de la température de surface de la mer (SST) avec des itérations de Schwarz.

 

Cette figure montre le cycle journalier de la température de surface de la mer (SST) obtenu avec différentes périodes de couplage pour A) couplage asynchrone traditionnel et B) après convergence des itérations de Schwarz. La période de couplage peut avoir un fort impact sur les simulations asynchrones: plus la période de couplage est longue, plus le cycle journalier est décalé. La méthode Schwarz est très efficace pour repositionner le cycle journalier.

Couplage multi-dimensionnel en hydrodynamique

Le couplage multidimensionnel en hydrodynamique est un domaine de recherche au CERFACS. L’objectif est de réduire le coût des simulations d’écoulement complexes en combinant des sous-modèles 1D et 2D au lieu d’utiliser un modèle 2D complet. En effet, le manque de données bathymétriques/topographiques et les contraintes de coût de calcul limitent l’utilisation extensive des modèles 2D pour la prévision opérationnelle des inondations. Le couplage multidimensionnel offre une solution appropriée avec des modèles 1D lorsque le débit est monodimensionnel et avec des modèles 2D locaux lorsque cela est nécessaire. Différentes stratégies de couplage sont étudiées en fonction de la position et la nature de l’interface de couplage par rapport aux sous-modèles 1D et 2D.

Le couplage latéral comprend un modèle 1D dans le lit de la rivière et des modèles 2D dans les plaines inondables, activés lorsque la rivière déborde. Les algorithmes de couplage consistent à considérer les variables entre les modèles 1D et 2D comme des flux aux frontières pour le modèle 2D et des termes sources pour le modèle 1D. Le couplage longitudinal comprend des modèles 1D où l’écoulement est monodimensionnel qui échange des conditions aux limites, perpendiculairement au sens de l’écoulement, avec un modèle 2D dans une région où l’écoulement est bi-dimensionnel, par exemple pour une zone de confluence. La continuité des variables hydrauliques à travers les frontières 1D/2D est établie via un algorithme de Schwarz itératif. Cette activité de recherche est menée en collaboration avec LHSV, EDF, ARTELIA et INRIA, avec le logiciel Telemac.

Longitidunal coupling at boundary condition with Swartz algorithm between 1D and 2D submodels for a rectangular channel. Barthélémy et al., 2018.

 

Contact at CERFACS : Sophie Ricci

Simulations multi-physiques et multi-composants en mécanique des fluides numérique

Aujourd’hui, la conception des turbines à gaz nécessite de prendre en compte les fortes interactions entre différentes physiques ainsi que des composants du moteur. En conséquence, des simulations intégrées de type multiphysiques et des multicomposants sont réalisées aussi bien au niveau de la recherche que dans les industries. Avec l’augmentation constante de la puissance de calcul, les simulations numériques des interactions entre le compresseur, la chambre de combustion et la turbine, ainsi que de l’interaction thermique entre les écoulements de fluide et les solides offrent de nouvelles voies de conception pour diminuer les coûts de développement grâce à d’importantes réductions du nombre de tests. Dans ces domaines, l’idée principale est de simuler conjointement les différentes parties des problèmes couplés avec un haut niveau de fidélité des limitant les hypothèses liées aux conditions aux limites :

  • pour les interactions entre les pièces de turbomachines et la chambre de combustion, les conditions d’entrée et de sortie des interfaces des composants peuvent être évitées en résolvant le système complet à la fois,
  • pour déterminer les charges thermiques moyennes sur les structures, de nombreux auteurs utilisent le transfert de chaleur conjugué (CHT) où les équations fluides et solides sont résolues simultanément pour prédire les distributions de température et de flux thermique dans le système.

Calculs récents des interactions multi-composants dans une turbine à gaz (à gauche) et transfert de chaleur conjugué dans une chambre de combustion de turbine à gaz (à droite).

Des travaux récents ont montré la capacité des méthodes de résolution telles que la simulation des grandes échelles (SGE) à fournir des résultats fiables dans les contextes des chambres de combustion et des turbomachines. L’utilisation d’un solveur instationnaire de type SGE pour résoudre de tels problèmes soulève plusieurs complexités à résoudre dans le contexte de simulations couplés. En effet, la SGE nécessite des résolutions de maillage élevées pour capturer avec précision la physique des écoulement et consomme plus de CPU que les méthodes moyennées pour faire converger les statistiques spatiales et temporelles. Ces spécificités impliquent d’utiliser des architectures de calcul haute-performance pour diminuer les temps de restitution des simulations. L’utilisation des SGE implique également certaines spécificités pour le traitement des deux types de problèmes couplés. Concernant le transfert de chaleur conjugué, le CERFACS a travaillé sur des méthodes dédiées à l’accélération de la convergence du transitoire thermique long dans le solide tout en bénéficiant de la précision des SGE ainsi que du calcul haute performance pour traiter des cas de thermiques stationnaires [Duchaine et al. 2009, Duchaine et al. 2013, Jauré et al. 2013, Duchaine et al. 2015, Errera et al. 2016, Berger et al. 2017]. En ce qui concerne le traitement des interfaces rotor / stator pour les simulations intégrées de moteur de turbine à gaz, le CERFACS a développé une méthode de couplage dans le code AVBP basée sur des maillages se chevauchant et échangeant les variables conservatrices en respectant les exigences des schémas numériques utilisés dans le solveur SGE [Wang et al. 2014, de Laborderie et al. 2018]. Sur la base de ces développements, nous avons récemment développé une possibilité de pas de temps local permettant de réduire considérablement le coût CPU des simulations instationnaires [Citations à venir].

Contact au CERFACS : Florent Duchaine

 

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