Calcul de stabilité 3D pour la compréhension des écoulements hypersoniques

Cette offre de thèse s’inscrit dans le cadre du Projet de Recherche Fédérateur FREHYA mené conjointement avec l'ONERA. Les objectifs de ce projet sont d’améliorer la compréhension et la modélisation de la transition et de la turbulence des écoulements hypersoniques froids à travers des approches expérimentales et numériques. La thèse s’intéresse principalement à la compréhension physique des mécanismes a l’origine de la transition laminaire/turbulente et des instationnarités rencontrées lors du vol hypersonique.

On propose d’utiliser des outils de d'analyse linéaire globale récents pour étudier la stabilité de l’écoulement autour de la géométrie CCF12. Des calculs de ce type ont déjà été réalisés dans le cadre d’un post-doc ONERA/CEA et ont démontré leur pertinence. Ici, on complexifiera l’écoulement en ajoutant de l’incidence à CCF12, ce qui fera apparaitre de nouveaux modes jusqu’à maintenant très peu documentés car trop complexes. On pourra notamment s’intéresser aux modes crossflow, à l’effet de l’incidence sur les modes de couche de mélange ainsi qu’aux modes globaux de bulle lorsque cette dernière n’est pas axisymétrique.

Le travail de thèse se concentrera principalement sur l’exécution des calculs de stabilité dans un environnement HPC puis sur leur interprétation physique. Il peut être noté que dans le contexte du projet FREHYA, cette thèse sera menée conjointement à plusieurs campagnes expérimentales, ainsi qu’à des campagnes de calculs haute-fidélité de l’écoulement, ce qui permettra de valider les résultats de stabilité et d’en approfondir l’interprétation.

Stratégies performantes d'exploitation de données massives issues de simulations numériques

Le Département Simulation et Garantie des Armes du CEA/CESTA élabore des modèles physico-numériques multi-physiques, multi-échelles et développe des codes de calcul dans les domaines de l'aérodynamique hypersonique, de l'électromagnétisme et de la dynamique rapide. Ces développements bénéficient des approches les plus modernes du génie logiciel et sont conduits dans le contexte du calcul haute performance afin de tirer le meilleur parti des supercalculateurs de la DAM.
La quantité et le rythme de production grandissants des données issues de simulations nous obligent à repenser la façon dont leur analyse est conduite. Le simple traitement des données écrites sur disque n'est plus possible, tant par la taille de ces dernières que par la capacité de les charger en mémoire avec les outils traditionnels.
Dnas ce contexte, comment analyser les volumes de données massifs générés ? Quelles peuvent être les statégies à mettre en place avant, pendant et après la simulation ?
Des nouveaux usages apparaissent dans le paysage du HPC pouvant y répondre [1], avec l'introduction progressive des techniques d'intelligence artificielle comme bases d'apprentissage, ou encore l'analyse in transit pour visualiser des données en même temps qu'elles sont produites. L'enrichissement des simulations par les données permettra d'obtenir des gains en temps et en précision.

On se propose donc dans cette thèse d'employer une nouvelle approche, orienté HPDA (High Performance Data Analytics), dans laquelle des structures de données du type RDD (Resilient Distributed Dataset) [3] pourront jouer un rôle central pour le traitement non seulement post mortem mais surtout in transit des données produites par la simulation. L'association de ces structures avec des pipelines de données [2] sera à évaluer pour disposer d'un ensemble HPC/HPDA cohérent.
Un des domaines ciblés est la rentrée atmosphérique et plus particulièrement le couplage et l'interopérabilité avec les codes 3D d'aérodynamique utilisés au département. Parmi les applications potentielles font partie l'analyse d'ensembles de calcul sur des simulations de trajectoires de rentrée ainsi que l'exploration des données produites (plusieurs centaines de Go à plusieurs To). Pour répondre à ces enjeux, les étapes de travail seront les suivantes:
1. la première phase du travail consistera à établir l'état de l'art en termes d'outils et de méthodes pour le HPDA,
2. une seconde étape consistera à mettre en œuvre une solution interopérable basée sur ces outils et potentiellement d'autres,
3. finalement, des analyses de données existantes seront portées vers cette solution pour permette de comparer les différentes approches offertes en terme d'expressivité, de performance, etc. sur des cas réalistes.

Restitution de la transition laminaire turbulente en hypersonique par assimilation de données

Pour concevoir un véhicule hypersonique, il est nécessaire de prédire précisément les flux thermiques à la paroi. Ces flux sont très fortement contraints par la nature de la couche limite (laminaire/transitionnelle/turbulente). Or, les mécanismes à l’origine de la transition laminaire-turbulente sont complexes et encore mal compris. De plus, les phénomènes transitionnels sont très dépendants des fluctuations présentes dans l’écoulement libre autour de la maquette dans le cas d’essais en soufflerie ou de l’engin dans le cadre du vol. Ces fluctuations sont très difficiles à mesurer précisément ce qui rend la comparaison calcul/essai très complexe. Pour réaliser une analyse fine de la physique de l’écoulement pendant les essais, il faut se tourner vers des résultats de calculs haute-fidélité. Il est donc crucial de pouvoir reproduire numériquement les perturbations amont rencontrées. Au cours de la thèse, on cherchera à développer des méthodes d'assimilation de données, s'appuyant sur la simulation haute-fidélité, pour inverser, c'est-à-dire déterminer les fluctuations au vu des observations. On se tournera vers des techniques ensemblistes basées sur l'inférence bayésienne. On mettra l'accent sur l'intégration de connaissances a priori sur les fluctuations. De plus, on essayera de réduire le coût calcul et s'attachera à quantifier les incertitudes sur la solution obtenue. L'approche sera notamment appliquée à un écoulement autour de la géométrie CCF12 (cone-cylinder-flare) réalisé dans la soufflerie R2Ch de l’ONERA.

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