Simulation numérique avancée

Le domaine scientifique SNA

 


Laurent Cambier
directeur scientifique du domaine SNA Simulation numérique avancée



 
 

Avancées récentes

Les grands challenges HPC pour jeunes chercheurs À l'occasion de la montée en puissance de son supercalculateur Sator, l'ONERA a offert à ses jeunes ingénieurs-chercheurs quelques millions d'heures de calcul pendant deux mois à l'automne 2021. Une initiative d'Alain Refloch, chargé de mission Calcul intensif, et de Laurent Cambier, directeur scientifique Simulation numérique avancée. Voir en images quelques uns de ces challenges.

 

Lancement du LMA2S (début 2019) Le laboratoire de Mathématiques appliquées à l'aéronautique et au spatial  est un laboratoire virtuel inter-départements qui fédére la communauté scientifique des mathématiciens et numériciens de l'ONERA et lui donne plus de visibilité. L'enjeu est d'optimiser les ressources affectées à cette discipline en favorisant la mutualisation des travaux. [w3.onera.fr/lma2s]

 

 


 

Logiciels de nouvelle génération (début 2021) SONICS et A-set sont les codes de simulation numérique du futur pour l’ONERA et ses partenaires, respectivement pour l’aérodynamique et pour la mécanique des matériaux et structures, en partenariat avec le groupe Safran. Échéance 2025.


 

Entrée dans le consortium OpenTURNS (début 2019) OpenTURNS est une bibliothèque logicielle écrite en  Python et C++ dédiée au traitement des incertitudes en simulation numérique. Le consortium est composé d’Airbus, EDF R&D, IMACS (Polytechnique), Phimeca et ONERA.

 

 

SNA en résumé

SNA intègre l’ensemble du processus de recherche et de développement associé à la production scientifique et technique de l’ONERA sous forme de logiciels, et recouvre ainsi, pour toutes les disciplines de la physique, les recherches sur la modélisation, les études sur l’algorithmique et les mathématiques appliquées, la problématique de calcul haute performance, les couplages entre physiques différentes, les techniques de réduction de modèles et la prise en compte des incertitudes.

La simulation numérique a pour objectifs de permettre une compréhension approfondie de la physique, de répondre à des demandes régaliennes (sécurité, environnement, certification…) et de favoriser l’amélioration de la compétitivité des industriels. Les activités s’appuient sur une recherche fondamentale de haut niveau et fructueuse en collaborations, et conduisent à des projets structurants, souvent de grande taille et de longue durée.

Les logiciels ONERA tirent profit des spécificités du positionnement de l’Office. Outre l’appui sur le triptyque expérimentation-modélisation-simulation et la disponibilité de compétences multi-disciplinaires en modélisation physique et sciences du numérique, les relations étroites nouées avec des partenaires industriels permettent une connaissance détaillée et évolutive des besoins, un transfert rapide des recherches vers l’industrie et une validation par l’usage sur des configurations réalistes. Le développement par l’ONERA de ses propres logiciels répond à ses besoins d’autonomie pour ses recherches et de capitalisation de son patrimoine scientifique et technique.

Le domaine SNA concerne le développement de méthodes et outils pour la simulation numérique mais pas leur mise en œuvre applicative. SNA est un domaine transverse en forte interaction avec les quatre autres domaines scientifiques ainsi que les sept départements de recherche de l’ONERA.

 

Adjoints scientifiques des départements
 

Denis Sipp

DAAA
département Aérodynamique, aéroélasticité, acoustique



 

Philippe Villedieu

DMPE
département Multiphysique pour l'énergétique


 

Bertrand Langrand

DMAS
département Matériaux et structures

 

 

Hélène Piet-Lahanier

DTIS
département Traitement de l'information et systèmes


 
 

Thématiques SNA

Le domaine SNA fédère trois thématiques scientifiques principales réparties sur quatre départements de l’ONERA : Matériaux et structures (DMAS), Multiphysique pour l'énergétique (DMPE), Aérodynamique, aéroélasticité, acoustique (DAAA), Traitement de l'information et systèmes (TIS).

De nombreuses autres thématiques scientifiques relevant d’un autre domaine scientifique sont également rattachées au domaine SNA. On peut citer à titre d’exemples :

  • acoustique ; optimisation multi-fidélité ; écoulements multiphasiques ; écoulements réactifs [MFE]
  • aéroélasticité ; mécanique structurale ; conception et optimisation des structures [MAS]
  • simulation de la scène électromagnétique ;  environnement et signatures pour les senseurs optroniques ; foudre, plasmas et propulseurs électriques [PHY]
  • conception et optimisation des systèmes [TIS]
     


Méthodes numériques [CNU 60, 61] [CoCNRS 9, 10]

DMAS Christophe Bovet, Johann Rannou

  • Développement de méthodes éléments-finis
  • Couplage de codes pour la modélisation multi-physique, multi-échelles et multi-modèles
  • Réduction de modèles
  • Nouvelles méthodes pour le calcul haute performance et l’exploitation de données massives
  • Développement de méthodes numériques pour les études de systèmes
  • Algorithmes d’optimisation structurale
  • Méthodes d’assimilation des données pour le dialogue essais-calculs
  • Développement de méthodes mathématiques et numériques pour la dynamique vibratoire des structures
  • Prise en compte des incertitudes et des excitations stochastiques

Exemple

Simulation par champ de phase et modèle de zone cohésive du détachement d'un bloc de givre d'accrétion

Ce type de calcul est réalisé afin de mettre au point un essai technologique qui pourrait être mis en œuvre dans la soufflerie givrante de l'ONERA. Il s'agit, une fois le bloc de glace formé sur un profil, d'injecter de l'air sous pression afin de provoquer le détachement et d'en étudier les caractéristiques au regard des conditions aéro-givrantes et des caractéristiques de la surface du support. Les calculs sont réalisés avec le code Z-set en exploitant ses capacités de résolution parallèle. Travaux réalisés en collaboration avec le département Multiphysique pour l'énergétique dans le cadre du projet ONERA TRICEPS.


 

 

 

 

 

 
 
 

 

DMPE Nicolas Bertier,  Guillaume Puigt, Eric Quémerais

  • Discrétisation spatio-temporelle : focalisation sur le volume fini et les différences spectrales
  • Maillages : opération sur les maillages, adaptation de maillage, maillage courbe d'ordre élevé...
  • Couplages multi-physiques : couplage multi-solveurs, approches multi-fluides, fluide et particules solides, atomisation...
  • Méthodes adjointes : sensibilités, adaptation de maillage...
  • Problèmes aux valeurs propres
  • Grands systèmes linéaires : méthodes implicites pour la multi-physique...
  • HPC : gestion des maillages, architecture solveurs pour le HPC
     

Exemples

Axe Volume Fini – solveur Cedre Objectif : Schéma spatial d’ordre supérieur à 2 sur maillage non structuré.

Exemple d’application à l’atomisation primaire en combustion cryotechnique (VF avec schéma MUSCL multipente d'ordre 2)

 

 

 

 


 



Axe Spectral Difference – solveur JAGUAR Objectif : développement schéma sur triangle/tétraèdre.

Famille de schémas d’ordre 3 à 6 (p=2 à 5) sur triangles, convergence des calculs sur NACA12 transsonique laminaire à Minfini=0,8, ;Alpha=10°, Re=500, malgré le non-alignement maillage / solution

 

 

 

 

 

 

 



JEROBOAM est un projet collaboratif qui se focalise sur les méthodes spectrales discontinues pour lesquelles les solutions dans chaque cellule sont définies comme étant des polynômes de degré p donné et pour lesquelles on ne suppose pas de continuité des champs aux interfaces des cellules. Ces approches fournissent une classe de schémas numériques dont l'ordre est pilotable et permettent par "nature mathématique" une bonne scalabilité sur machine massivement parallèle (ici, scalabilité mesurée de 96% sur plus de 121 000 cœurs pour le solveur JAGUAR). On s'intéresse à ces approches dans un contexte gaz parfait et gaz multi-espèces réactif. Au centre du projet : schémas numériques d'intégration temporelle, schémas numériques spatiaux incluant les schémas à capture de choc et les schémas entropiques, couplage pour la multi-physique, conditions limites pour les simulations aux grandes échelles de la turbulence... La validation de ces approches concerne des écoulements stationnaires (minoritaires) et surtout des écoulements instationnaires, afin de démontrer les capacités de type LES des approches.

 

DAAA Florent Renac, Bruno Maugars

  • Discrétisation spatio-temporelle
  • Schémas pour l’hypersonique
  • Inversion de systèmes linéaires mal conditionnés
  • Couplage pour le multi–physique
  • Méthodes adjointes - Méthodes pour Estimation d’erreur
  • Adaptation maillage (h), schéma (p) et modèle (m)
  • Maillage d’ordre élevé
  • Méthodes pour la propagation grande distance du bruit

Exemples

REALITY - Schémas numériques d'ordre élevé pour la mécanique des fluides compressibles. Dans un souci de réduction des coûts de conception des aéronefs, la simulation numérique est devenue un outil indispensable. Les écoulements concernés contiennent généralement des phénomènes turbulents caractérisés par une large gamme d'échelles de temps et d'espace. L'utilisation de méthodes de haute précision pour leurs simulations devient nécessaire car les niveaux de précision exigés dans l'industrie aéronautique tendent à devenir toujours plus élevés. Dans ce contexte, ce projet visait à renforcer la robustesse et l'efficacité des simulation d'ordre élevé des équations de la mécanique des fluides compressibles (englobant les modèles de turbulence, multi-espèces et diphasiques) au moyen de méthodes Galerkin discontinues où l'on recherche la solution sous la forme de polynômes par morceaux dans chaque élément de maillages non structurés poly-éléments.



Le projet européen CleanSky2 ACONIT (2020-2023, avec ENSAM, Bundeswehr University de Munich et CTEC), vise à rapprocher la technologie de contrôle fluidique d’un usage industriel dans les compresseurs de moteurs d’avion afin de réduire la marge au pompage.

La première activité de l’ONERA dans ce projet a consisté à évaluer la capacité du logiciel elsA à prévoir la limite d’opérabilité (décrochage tournant) du compresseur CME2 (Laboratoire de Mécanique de Fluides de Lille) à l’aide de simulations instationnaires sur toute sa circonférence. Expérimentalement, une seule cellule décrochée est observée. Les simulations ont permis de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu dans le décrochage du rotor du compresseur CME2 en absence de contrôle fluidique. Ainsi, elsA est capable de reproduire le décrochage tournant monocellulaire constaté lors des essais.

 

 

 

L’étape suivante a porté sur la simulation numérique du contrôle du décrochage tournant sur le même compresseur CME2 équipé d’injecteurs fluidiques. Les simulations modélisent toute la circonférence de la machine, dans lesquelles la géométrie complète des injecteurs est incluse (20 paires d’injecteurs réparties sur toute la circonférence). Les simulations montrent l’effet bénéfique du contrôle fluidique. Ainsi, les actionneurs modifient l’écoulement au sein du compresseur, retardant l’entrée en décrochage tournant en le décalant vers des débits moteur plus faibles. In fine, cela permettra d’exploiter le moteur à un niveau de rendement supérieur et donc avec une moindre consommation de carburant, et sur une plus large plage de fonctionnement.


 

Simulation et calcul intensif [CNU 60, 61] [CoCNRS 9, 10]

DAAA Ivan Mary,  Yann Mauffrey

  • Déformation et adaptation de maillage (fluide et structure)
  • Méthode Lattice-Boltzmann (LBM)
  • Technique chimère, IBM
  • Octree
  • Méthodes numériques pour le parallèle et l’exascale
  • Architecture de logiciels
  • Pré / post traitements de calculs
  • Validation sur configurations complexes et benchmarks internationaux
  • MDA (Modèle haute-fidélité, couplage de codes)

Exemples

Coopération AHFIR L’un des objectifs de la coopération entre l’ONERA et l’US Army est d’évaluer et de comparer les méthodes de frontières immergées développées par l’ONERA dans l’environnement ONERA FAST/IBM et par l’US Army dans HELIOS/ROAM sur un cas d’interaction rotor-fuselage et sur l’évaluation de la traînée d’une tête rotor d’hélicoptère en soufflerie. L’objectif est double : être à la fois capable d’effectuer des simulations CFD dans un temps de restitution rapide autour de géométries complexes tout en capturant la physique de manière suffisamment précise, ce pourquoi les méthodes dites « basse fidélité » seules ne sont pas appropriées. Une approche originale est ainsi retenue par l’ONERA pour calculer ce type de configuration. Les pales en rotation sont discrétisées par des maillages curvilignes en mouvement pour lesquels un modèle URANS est employé.  Le fuselage de l’hélicoptère est pris en compte par des maillages cartésiens grâce à une méthode de frontière immergées. Grâce à cela, la mise en œuvre des calculs peut se faire en quelques dizaines de minutes, même pour des géométries très complexes, car le processus est automatisé.

 

 

Le couplage entre les grilles curvilignes en rotation et le maillage cartésien est réalisé par une approche Chimère optimisée, qui permet de limiter le temps de transfert entre grilles à 20% du temps global. Les calculs sont mis en œuvre par le couplage de modules Python/CGNS HPC développés par l'ONERA/DAAA (Cassiopee, FastS, Quantum...). La première figure illustre un calcul académique du sillage engendré par une pale isolée, tandis que les deux figures suivantes représentent un cas plus industriel d’un rotor 4 pales en vol d’avancement modélisé par un modèle URANS qui prend en compte l’interaction avec le fuselage grâce à une méthode de frontières immergées.

 

 

Mathématiques appliquées et calcul scientifique [CNU 26, 41] [CoCNRS 9, 10]

DTIS François Rogier, Guillaume Dufour

  • Analyse numérique des EDP, problèmes inverses des EDP
  • Modèles particulaires
  • Calcul haute performance
  • Adaptation de maillage
  • Couplage de modèles numériques
  • Propagation des incertitudes, traitements des évènements rares
  • Analyse de sensibilité
  • Optimisation
  • Modèles de substitution
  • Simulations multi-physiques et multi-échelles

Exemple

Simulation d’une décharge plasma de type pointe-plan dans un écoulement à Mach 3. Le cas-test étudié concerne l’interaction d’un plasma généré par une décharge pointe négative avec une onde de choc d’un écoulement porteur.

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 


Le calcul a été réalisé avec le code COPAIER (Code PlasmA Instationnaire pour l’aERodynamique), qui permet la simulation des plasmas hors-équilibre thermodynamique pour des géométries 2D ou 2D-axisymétriques. Le solveur se base sur la résolution d’équations de conservation (de type convection-diffusion-réaction) pour la dynamique des densités des espèces chargées, couplée avec le calcul du champ électrique induit par le potentiel appliqué à l’électrode stressée (ici -7.5 kV) ainsi que par la distribution de charge en volume.

Il s’agit d’une simulation multi-échelles en temps et en espace. En effet, pour représenter correctement les effets de champs, les tailles des mailles doivent être de l’ordre de la longueur de Debye, micrométrique dans notre cas, tandis que la taille du dispositif est centimétrique.  Sur ces tailles de mailles, la condition CFL correspondant au transport des électrons impose des pas de temps inférieurs à la picoseconde tandis que le temps caractéristique de l’écoulement le long du dispositif est plutôt de l’ordre de la centaine de microsecondes (8 ordres de grandeur).

Les calculs ont été menés avec un maillage non-structuré, sur le calculateur parallèle SPIRO de l’ONERA, en utilisant 32 cœurs répartis sur deux nœuds de calcul. La prise en compte de la séparation de charge et la résolution de la dynamique complète des électrons a permis de mettre en évidence l’apparition d’un régime pulsé de type pulses de Trichel, que l’on rencontre dans les décharges pointe-plan. Ce régime pulsé est lié à l’interaction avec l’écoulement qui déplace les particules chargées vers la base du dispositif et empêche l’écrantage du champ électrique.

 

 

 

 

 

 

Ci-dessous : Profil de la densité d'ions positifs pendant les 4 premiers pulses de la décharge

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 
 

 

 


*CNU : relatif aux sections disciplinaires du Conseil national des universités (voir liste au CNU)
*CoNRS : relatif aux sections disciplinaires du Conseil national de la recherche scientifique, en vigueur au CNRS (voir CoNRS/sections)