CIGITA : Cellule d'Informatique Graphique et~d'Ingénierie~en~Thermo-Aéraulique

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A. T. Dang et Y.C. Fraigneau

Fonctions de la CIGITA

Les actions de la CIGITA sont multiples. Elles interviennent à différents niveaux dans le laboratoire, et plus particulièrement au sein du département Mécanique-Energétique.

La CIGITA est chargée de la maintenance du parc informatique, du bon fonctionnement et de la mise à jour des logiciels utilisés quotidiennement par les membres du département. Elle fournit également une assistance dans le cadre de l'utilisation des outils informatiques, mais aussi dans la mise en valeur des résultats issus des travaux de la recherche, notamment au niveau de l'exploitation graphique.

Depuis 1999, une autre fonction de la CIGITA est d'assurer un soutien à la recherche menée par les différents groupes dans le domaine du calcul scientifique et de la simulation numérique.

Elle contribue à la création, au développement et à l'optimisation d'outils numériques, et plus spécifiquement de codes de calculs, utilisés dans le domaine de la mécanique des fluides et des transferts thermiques. Elle collabore aussi à la réalisation d'études spécifiques dans le cadre de travaux de recherche menés par les groupes du département de Mécanique-Energétique. Enfin, elle est amenée à conduire de manière autonome des projets d'études commandités par des partenaires extérieurs au laboratoire.

Principaux travaux de l'année 2001

Création logicielle

En ce qui concerne la création logicielle, la CIGITA a travaillé sur l'élaboration d'un code de calcul pour la simulation de fluides incompressibles sous l'hypothèse de Boussinesq (approche volumes finis) : le code OLORIN. Le développement de ce code devait satisfaire plusieurs critères :

• La généricité (et convivialité) : Le code devait pouvoir répondre à des études très diversifiées dans le domaine des fluides incompressibles sans que l'utilisateur n'ait à intervenir dans la programmation du code, mais simplement en configurant le cas d'étude à l'aide de fichiers de données. Outre le point de vue pratique de l'utilisation, la généricité permet de limiter les versions de codes communément associés à chaque configuration d'étude et, par conséquent de faciliter la maintenance du code, sa mise à jour et la continuité de ces performances.

• La portabilité : Un effort particulier a été réalisé au cours de la conception du code afin qu'il puisse être utilisé avec de bonnes performances sur différents types de calculateurs (architectures scalaire, parallèle et/où vectorielle). Notamment, la parallélisation du code est actuellement programmée par directives OpenMP et devrait être étendue au formalisme MPI.

• L'optimisation : De manière à obtenir des performances satisfaisantes lors de simulations numériques de grande envergure (typiquement : nombre de noeuds de l'ordre plusieurs millions), nos travaux se sont également portés sur l'optimisation de la performance d'exécution du code.

Ce code est actuellement opérationnel, mais continue à être développé en vue d'accroître ses possibilités d'applications. Une nouvelle version visant à lever l'hypothèse de Boussinesq est en projet.

Soutien à la recherche dans le département Mécanique-Energétique

Dans le cadre du soutien à la recherche, le développement du code OLORIN a contribué à l'avancée de différents travaux menés par le groupe Dynamique des Fluides et Turbulence et dans lesquels la CIGITA s'est trouvée impliquée. Citons :

- Une étude avec J.L Guermond et L. Quartapelle dans le domaine du suivi d'interface de deux fluides incompressibles faiblement miscibles [1]. Cette première étude visait à suivre l'évolution de l'interface par résolution directe de l'équation de continuité, sans modèle de reconstruction d'interface habituellement utilisé dans ce domaine. Une étude de sensibilité a été réalisée sur l'influence de l'approche numérique (volume finis / éléments finis, schémas associés aux flux de convection) sur le cas particulièrement sévère du développement d'instabilités de Rayleigh-Taylor 2D.

- Un travail toujours en cours sur le développement d'instabilités dans un écoulement en interaction avec une cavité de paroi rectangulaire, en collaboration avec P. Gougat et F. Lusseyran [2]. Cette étude est menée conjointement sur les plans expérimental et numérique (ce dernier étant à la charge de la CIGITA). L'objectif est ici de caractériser les structures tourbillonnaires résultant des instabilités, de déterminer leurs origines (qui peuvent être multiples), et de définir leur évolution en fonction des paramètres conditionnant la nature de l'écoulement ( géométrie de la cavité, nombre de Reynolds ...), ces régimes variant du laminaire au turbulent.

Etudes en association avec des partenaires extérieurs

La CIGITA est également chargée d'une étude commanditée par le Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire (LAL). Elle consiste à calculer les échanges thermiques dans le cryostat du barrel de l'expérience ATLAS afin de connaître la distribution du champ de température et avoir l'assurance que la variation de température sur la couronne interne du cryostat est inférieure à 0,5 K. Cette simulation numérique (réalisée avec le code OLORIN) nécessite de prendre en compte la conduction thermique dans les parties solides et les mouvements de convection naturelle du fluide, lesquelles adoptent des régimes d'écoulements variant du laminaire au turbulent (la turbulence étant modélisée par une approche « Large Eddy Simulation ») .

Le caractère fortement instationnaire de l'écoulement, la grande disparité des échelles spatiales et de temps caractéristiques associés aux différents phénomènes physiques considérés nécessite une simulation numérique de grande envergure impliquant un maillage de près de 16 millions de noeuds et un nombre de pas de temps de l'ordre de 1,5 millions. Ce type de calcul est réalisé sur la machine vectorielle NEC-SX5 de l'IDRIS. Une dotation exceptionnelle de 3000 heures de calcul nous a été attribuée pour l'ensemble de ce travail.

Dans un autre domaine, la CIGITA participe au projet d'étude sur les « outils avancés pour la conception aérodynamique des prises d'air avec systèmes de contrôle » de l'ATSF (Avion de Transport Supersonique du Futur). Ce projet, commandité par le Ministère de la Recherche et de la Technologie, est réalisé dans le cadre d'une collaboration entre plusieurs laboratoires : le LEMFI, SINUMEF, l'ONERA et le LIMSI. Les travaux réalisés par le LIMSI, dirigés par C. Tenaud, sont détaillés dans le cadre des activités du groupe Dynamique des Fluides et Turbulence : « Simulation des grandes échelles d'écoulements compressibles pour la conception de prise d'air » [3].

[1] Fraigneau Y., Guermond J. L., Quartapelle L. : "Approximation of variable density incompressible flows by means of finite elements and finite volume." Commun. Numer. Meth. Engng. Vol 17, 893-902 (2001).
[2] cf. pages de présentation de P. Gougat et F . Lusseyran : "Caractérisation expérimentale de structures tourbillonnaires en régime instationnaire".
[3] cf. pages de présentation de C. Tenaud : "Simulation des grandes échelles d'écoulements compressibles pour la conception de prise d'air".

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