Transfert de chaleur par rayonnement : résolution numérique efficace de problèmes associés en milieu Beerien ou non pour les besoins de validation de modèles simplifiés
Cette proposition de recherche se place dans le cadre de l’étude, par le biais de la modélisation et de la simulation numérique, des transferts thermiques au sein d’un milieu hétérogène constitué de solides opaques et d’un fluide transparent ou semi-transparent. Les modes d’échange considérés sont le rayonnement et la conduction.
Suivant l’échelle considérée, la luminance (ou radiance) est solution de l’Equation de Transfert Radiatif (ETR - Radiative Transfer Equation). Dans sa forme classique, cette ETR décrit les phénomènes de transferts thermiques à l’échelle dite locale où les solides sont distinctement répartis dans le domaine, tandis que, à l’échelle mésoscopique d’un milieu homogène équivalent, la radiance est solution d’une ETR généralisée (ETR(G)) quand le milieu nobéit plus à la loi de Beer-Lambert. Dans notre contexte, nous nous intéresserons à la résolution numérique de cette ETR dans ces deux configurations avec in fine un couplage à la résolution d’une équation de conservation de l’énergie pour la température.
Dans le cadre de la résolution déterministe de l’ETR, une méthode usuelle de traitement de la variable angulaire de cette équation est la méthodes des ordonnées discrètes (Sn) qui utilise une quadrature pour la sphère unité. Lorsque l’on considère un milieu non-Beerien, la résolution de l’ETR(G) est un sujet de recherche très actuel où l’approche Monte-Carlo semble recevoir plus d’attention. Pour autant, on peut rapprocher cette ETR(G) de l’équation de transport généralisée telle que formulée dans le contexte du transport de particules et appliquer une méthode spectrale pour sa résolution déterministe Sn. C’est la piste poursuivie dans cette thèse.
Le cadre applicatif direct de ces travaux est l’étude par simulation numérique des accidents des Réacteurs nucléaires à neutrons thermiques refroidis à l’Eau Légère (REL). En effet, la modélisation des échanges par rayonnement est primordiale car, en cas de dénoyage du coeur et d’assèchement des gaines de combustible, c’est un mécanisme d’extraction de puissance qui devient rapidement, à mesure que la température augmente, important à prendre en compte, au même titre que la convection par le gaz (vapeur d’eau). Par ailleurs, cette thematique est aussi importante avec le renouveau du nucléaire par le biais de startups proposant des réacteurs calogènes de type High Temperature Reactor (HTR) refroidis par un gaz.
L’objectif de cette thèse est l’analyse et le développement d’une méthode numérique innovante et efficace de résolution de l’ETR(G) (dans un environnement de simulation numérique haute performance) couplée à la résolution de la conduction thermique. Du point de vue applicatif, une telle méthode permettrait de réaliser des calculs de référence pour la validation et la quantification du biais des modèles simplifiés mis en oeuvre dans des simulations d’ingénierie.
Un travail réussi dans le cadre de cette thèse permettra à l’étudiant de prétendre à un poste de recherche en simulation numérique haute performance de problèmes physiques complexes, par-delà la seule physique des réacteurs nucléaires.
Evaluation de méthodes polytopales pour la CFD sur architecture GPU
Cette proposition de recherche se place dans le cadre de l’étude et de l’implémentation de méthodes polytopales pour résoudre les équations de la mécanique des fluides. Ces méthodes ont pour but de traiter des maillages les plus généraux possibles permettant de s’affranchir de contraintes géométriques de forme ou héritées de manipulations CAO comme des extrusions ou des assemblages faisant apparaître des non-conformités. Ces travaux se placent également dans le cadre du calcul intensif en vue de répondre à l’augmentation des moyens de calcul et en particulier du développement du calcul massivement parallélisé sur GPU.
L’objectif de cette thèse est donc de reprendre les travaux réalisés sur les méthodes de type polytopales existantes dans le logiciel TRUST que sont les méthodes "Compatible Discrete Operator" (CDO) et"Discontinuous Galerkin" (DG), de compléter leur étude notamment pour les opérateurs de convection et d’investiguer d’autres méthodes existantes dans la littérature comme les méthodes "Hybrid High Order"(HHO), "Hybridizable Discontinuous Galerkin" (HDG) ou "Virtual Element Method" (VEM).
Les objectifs principaux sont d’évaluer :
1. le comportement numérique de ces différentes méthodes sur les équations de Stokes/Navier-Stokes,
2. l’adaptabilité de ces méthodes à des architectures hétérogène telles que les GPU.
Simulations Monte-Carlo à haute-fidélité du bruit neutronique dans les réacteurs nucléaires de puissance
Les réacteurs nucléaires en fonctionnement sont soumis à diverses perturbations. Celles-ci peuvent inclure des vibrations des crayons et assemblages de combustible dues aux interactions fluide-structure avec le modérateur, ou même des vibrations de la cuve du cœur, des grilles et de l'enceinte pressurisée. L’ensemble de ces perturbations peut entraîner de petites fluctuations périodiques de la puissance du réacteur autour d’un niveau moyen stationnaire. Ces fluctuations de puissance sont appelées « bruit neutronique ». La capacité de simuler différents types de perturbations internes au cœur permet aux concepteurs et exploitants des réacteurs de prédire le comportement du flux neutronique en présence de telles perturbations. Ces dernières années, de nombreux groupes de recherche ont travaillé au développement de modèles numériques pour simuler ces « sources de bruit neutronique » et leurs effets sur le flux neutronique dans le réacteur.
L’objectif principal de cette thèse de doctorat sera de porter les simulations Monte-Carlo du bruit neutronique à l’échelle des calculs industriels réalistes des cœurs de réacteurs nucléaires, avec une modélisation physique haute-fidélité (transport de particules à énergie continue). Dans ce cadre, l’étudiant/e ajoutera de nouvelles capacités de simulation du bruit neutronique à TRIPOLI-5, le code Monte-Carlo de transport de particules de nouvelle génération, développé conjointement par le CEA et l’ASNR, avec le soutien d’EDF spécifiquement pour les calculs à haute performance (HPC).
SCHEMA AUX CARACTERISTIQUES POUR LE TRANSPORT DES NEUTRONS EN 3D COMBINANT LA METHODE LINEAIRE SURFACIQUE ET L’EXPANSION POLYNOMIALE AXIALE ET ACCELERE PAR LA PROGRAMMATION GPU
Cette thèse s'inscrit dans le cadre du développement des techniques de calcul numérique pour la physique des réacteurs. Plus précisément, elle porte sur la mise en œuvre de méthodes intégrant des développements spatiaux d'ordre supérieur pour le flux et les sections efficaces neutroniques. L'objectif principal est d'accélérer les algorithmes existants et ceux qui seront développés grâce à la programmation sur GPU. En exploitant la puissance de calcul des GPU, cette recherche vise à améliorer l'efficacité et la précision des simulations en physique des réacteurs, contribuant ainsi au domaine plus vaste du génie nucléaire et de la sûreté nucléaire.
Conception et développement d’algorithmes asynchrones pour la résolution de l’équation du transport des neutrons sur des architectures massivement parallèles et hétérogènes
Cette proposition de thèse s’inscrit dans le cadre de la résolution numérique d’équations aux dérivées partielles par le biais d’une discrétisation des variables. Elle s’intéresse, dans un formalisme d’éléments finis, à travailler sur la conception d’algorithmes au travers de modèles de programmation parallèle et asynchrone pour la résolution de ces équations.
Le cadre industriel applicatif est la résolution de l’équation de Boltzmann appliquée au transport des neutrons dans le cœur d’un réacteur nucléaire. Dans ce contexte, beaucoup de codes modernes de simulations’appuient sur une discrétisation par éléments finis (plus précisément, un schéma Galerkin discontinu décentré amont) pour des maillages cartésiens ou hexagonaux du domaine spatial. L’intérêt de ce travail de thèse prolonge des travaux précédents pour explorer leur extension dans un cadre d’architecture distribuée qui n’ont pas été abordé jusque-là dans notre contexte. Il s’agira de coupler des stratégies algorithmiques et numériques pour la résolution du problème à un modèle de programmation qui expose du parallélisme asynchrone.
Ce sujet s’inscrit dans le cadre de la simulation numérique des réacteurs nucléaires. Ces simulations multiphysiques coûteuses requièrent le calcul du transport des neutrons en cinétique qui peuvent être associées à des transitoires de puissance violents. La stratégie de recherche adopté pour cette thèse permettra de gagner en coût de calcul, et alliée à un modèle massivement parallèle, peut définir les contours d’un solveur neutronique efficace pour ces problèmes multiphysiques.
Un travail réussi dans le cadre de cette thèse permettra à l’étudiant de prétendre à un poste de recherche en simulation et analyse numérique de problèmes physiques complexes, par-delà la seule physique des réacteurs nucléaires.
Mécanismes de communications unidirectionnelles pour la décomposition de données des applications de transport de particules Monte-Carlo
Dans le cadre d’un calcul Monte-Carlo d’évolution d’un cœur de REP (réacteur à eau pressurisée), il est nécessaire de calculer un très grand nombre de taux de réaction neutron-noyau, impliquant un volume de données pouvant dépasser la capacité mémoire d’un nœud de calcul sur les supercalculateurs actuels. Dans le cadre de Tripoli-5, les architectures à mémoire distribuée ont été identifiées comme cible pour le déploiement de calcul à haute performance. Pour exploiter de telles architectures il convient donc d’utiliser des approches de décomposition de données, notamment sur les taux de réaction. Toutefois, avec une méthode de parallélisation classique, les processus n’ont pas d’affinité particulière pour les taux qu’ils hébergent localement ; au contraire, chaque taux reçoit des contributions de manière uniforme de tous les processus. Les accès aux données décomposées peuvent s’avérer coûteux quand ces derniers imposent une utilisation intensive des communications. Toutefois, des mécanismes de communications unidirectionnelles comme par exemple les MPI RMA (Message Passing Interface, Remote Memory Access) permettent de faciliter ses accès aussi bien en termes d’expressions que de performances.
L’objectif de cette thèse est de proposer une méthode de décomposition partielle de données en s’appuyant sur des mécanismes de communications unidirectionnelles pour accéder aux données stockées à distance, telles que les taux de réaction. Une telle approche permettra de réduire considérablement le volume de donnée stocké en mémoire sur chaque nœud de calcul sans engendrer une forte dégradation des performances.
Cadre MBSE augmenté par l’Intelligence Artificielle pour l’analyse conjointe de la sureté et de la sécurité des systèmes critiques
Les systèmes critiques doivent respecter simultanément des exigences de Sureté de fonctionnement (prévenir les défaillances involontaires pouvant entraîner des dommages) et de Sécurité (protéger contre les attaques malveillantes). Traditionnellement, ces deux domaines sont traités séparément, alors qu’ils sont interdépendants : Une attaque (Sécurité) peut déclencher une défaillance (Sureté), et une faille fonctionnelle peut être exploitée comme vecteur d’attaque.
Les approches MBSE permettent une modélisation rigoureuse du système, mais elles ne capturent pas toujours les liens explicites entre la Sureté [1] et Sécurité [2] ; les analyses de risques sont manuelles, longues et sujettes à erreurs. La complexité des systèmes modernes rend nécessaire l’automatisation de l’évaluation des compromis Sureté-Securité.
La modélisation MBSE conjointe sureté/sécurité a été largement abordé dans plusieurs travaux de recherche tels que [3], [4] et [5]. Le verrou scientifique de cette thèse consiste à utiliser l’IA pour automatiser et améliorer la qualité des analyses. Quel type d’IA devrons nous utiliser pour chaque étape d’analyse ? Comment détecter les conflits entre les exigences de sécurité et de sureté ? Quelle sont les critères pour évaluer l’apport de l’IA dans l’analyse conjointe sureté/sécurité…
CORTEX: Orchestration de Conteneurs pour les applications Temps-Réel, Embarqués/edge, à criticité miXte
Cette proposition de thèse de doctorat vise à développer un schéma d'orchestration de conteneurs pour les applications en temps réel, déployées sur un continuum de ressources de calcul hétérogènes dans l'espace embarqué-edge-cloud, avec un focus particulier sur les applications nécessitant des garanties en temps réel.
Les applications, allant des véhicules autonomes, à la surveillance de l'environnement ou à l'automatisation industrielle, exigent traditionnellement une grande prédictibilité avec des garanties en temps réel, mais elles demandent de plus en plus de flexibilité à l'exécution ainsi qu'une minimisation de leur empreinte environnementale globale.
Pour ces applications, une stratégie adaptative innovante est nécessaire pour optimiser dynamiquement (à l'exécution) le déploiement des charges logicielles sur les nœuds matériels, avec un objectif mixte-critique combinant des garanties en temps réel et la minimisation de l'empreinte environnementale.
Exploration et optimisation des architectures RAID et des technologies de virtualisation pour des serveurs de données haute performance
Face aux besoins toujours croissants de la simulation numérique, les
supercalculateurs doivent sans cesse évoluer pour améliorer leurs performances
et ainsi maintenir une haute qualité de service pour les utilisateurs.
Ces besoins se répercutent sur les systèmes de stockage, qui pour être
performants, fiables et capacitifs, doivent contenir des technologies de
pointe en ce qui concerne l'optimisation du placement des données et de
l'ordonnancement des accès I/O. L'objectif de la thèse est d'étudier ces
technologies telles que le GPU-based RAID et la virtualisation d'I/O, de
les évaluer et d'établir des optimisations permettant d'améliorer les
performances des systèmes de stockage HPC.
Simulation parallèle et raffinement adaptatif de maillage pour des problèmes de mécanique 3D
Le challenge de cette thèse est de mettre en place des méthodes numériques de raffinement adaptatif de maillage pour la mécanique 3D non linéaire adaptées aux calculateurs parallèles.
Ce sujet est proposé dans le cadre du programme et équipements prioritaires de recherche (PEPR) NumPEx (Numérique Pour l’Exascale). Il est intégré dans le Projet Ciblé Exa-MA (Méthodes et Algorithmes pour l’Exascale). La thèse se déroulera au CEA Cadarache au sein de l'Institut de REcherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d'Energie bas carbone (IRESNE), dans l’équipe de développement de la plateforme logicielle PLEIADES, spécialiste de la simulation du comportement du combustible et des méthodes numériques multi-échelles.
Lors d’une simulation par éléments finis, l’adaptation automatique de maillage (ou AMR en anglais, pour Adaptive Mesh Refinement) est devenue un outil incontournable pour réaliser des calculs précis avec un nombre d’inconnues contrôlé. Les phénomènes à prendre en compte, en particulier en mécanique des solides, sont souvent complexes et non-linéaires : contact entre solides déformables, comportement viscoplastique, fissuration… Par ailleurs, ces phénomènes requièrent des modélisations intrinsèquement 3D. Ainsi le nombre d’inconnues à prendre en compte nécessite l’utilisation de solveurs parallèles. Un des défis actuels est donc de combiner méthodes de raffinement adaptatif de maillage et mécanique non linéaire des solides pour une utilisation sur calculateurs parallèles.
Le premier axe de recherche de cette thèse concerne la mise au point d’une méthode de raffinement de maillage (de type block-structured ) pour la mécanique non-linéaire, avec adaptation dynamique de maillage. On s’intéressera ainsi aux opérateurs de projections pour obtenir une solution AMR dynamique précise lors de l’évolution des zones raffinées.
L’autre axe sera dédié au traitement efficace du contact entre solides déformables dans un environnement parallèle. Il s’agira d’étendre des travaux précédents limités à des maillages de contact concordants au cas de géométries de contact quelconques (algorithme de type nœud-à-surface).
L’environnement de développement privilégié sera l’outil MFEM. La gestion des éléments finis et la réévaluation dynamique du maillage adaptatif nécessite d’évaluer (et probablement améliorer) l’efficacité des structures de données impliquées. De grands calculs 3D seront réalisés sur des supercalculateurs nationaux en utilisant des milliers de cœurs de calcul. Cela permettra de s’assurer du passage à l’échelle des solutions mises en place.