Soutenance mémoire
ISAS
En 1995, afin de pallier le problème du dialogue entre les codes de calcul, le CEA a décidé de développer le superviseur ISAS, Integrated Safety Analysis System . Il s’agit d’une bibliothèque de communication programmée en OCAML, dont le noyau est écrit en C, utilisant le langage de commande spécifique CEA Gibiane et s’appuyant sur la librairie PVM (Parallel Virtual Machine) pour gérer les échanges de messages et de données entre les différents codes scientifiques. Le langage, les formats de fichiers utilisés et les appels possibles sont, très souvent, différents d’un code à l’autre. Ainsi, la mise en place d’un coupleur est une tâche ardue. Son développement nécessite de connaître parfaitement l’ensemble des codes intervenant dans l’étude en cours car ils sont modifiés pour prendre en compte les résultats de ceux avec lesquels ils sont couplés. Les données échangées transitent par le superviseur ISAS, apportant ainsi une aide dans la standardisation de bas-niveau des échanges (types de données échangées). Il faut noter que les codes sont modifiés spécifiquement pour un cas étudié. Remplacer un code par un autre imposera de le connaître parfaitement et de réaliser des ajustements lourds au niveau du coupleur. Plusieurs couplages ont tout de même été réalisés grâce à ISAS ([GNP∗97, GGTF98, PC00, BG02]). En raison de contraintes techniques et internes au CEA, ISAS n’est plus maintenu depuis les années 2000 et n’est plus compilable depuis trois ans. Le superviseur a donc définitivement été abandonné.
SALOME
La plateforme SALOME, Simulation numérique par Architecture Logicielle en Open source et à Méthodologie d’Evolution (http://www.salome-platform.org/), est une solution logicielle développée en partenariat entre EDF , le CEA et OpenCascade majoritairement. Il est possible de l’utiliser à partir d’une interface graphique ou par un script écrit en langage python. De cette manière, un utilisateur peut réaliser les tâches courantes graphiquement et automatiser certaines opérations à partir de la console. SALOME fournit un pré- et un post traitement aux simulations numériques par l’intermédiaire de composants (figure 2.1). Ces derniers sont des briques réalisant un travail donné. Il est possible d’en développer de nouveaux, comme dans [Bon06]. Les composants standards sont au nombre de quatre : GEOM, SMESH, VISU et YACS.
GEOM Il permet de définir une géométrie de manière continue en combinant des primitives solides et des surfaces. De nombreuses opérations de génération et de transformation sont mises à disposition, comme les extrusions, les révolutions, les translations,les rotations, les explosions (un objet est décomposé en éléments de dimensions inférieures), … Il fournit les principales tâches d’un outil de CAO et supporte les formats de fichiers standards (IGES, BREP, STEP, UNV, MED, …).
SMESH A partir d’une géométrie, cet outil réalise un maillage. Le module s’appuie sur des mailleurs existants comme NetGEN ou GHS3D, qu’il intègre. De cette manière, il est possible de définir des choix sur les maillages (i.e. régularité, dimension), sur les mailles (i.e. forme triangulaire, critère d’aspect) et sur les arêtes (i.e. nombre et répartition des nœuds). Les résultats possibles sont donc très variés. Ce composant permet également de réaliser des remaillages lorsque les frontières du modèle sont fermées. Par exemple, en deux dimensions, il est possible de remailler l’intérieur d’un carré si son contour est fourni.
VISU Cet outil de post-traitement permet de visualiser les champs résultats des calculs d’un code. Il est possible d’afficher les données par niveaux de couleurs en fonction de leur valeur, de réaliser des seuillages, de tracer des lignes de courant, … De plus, la modification et la combinaison de champs sont accessibles par script python et permettent d’en créer de nouveaux. Il est par exemple possible, à partir d’un champ de vitesses, d’en définir un nouveau où les valeurs sont élevées au carré. Ce composant permet également d’obtenir des informations sur la qualité du maillage.
YACS La plateforme SALOME dispose d’un composant spécialisé dans le couplage de codes de calcul. Initialement nommé SUPERVISION, puis YACS, il a été utilisé lors de plusieurs études ([BCD∗08, BL10, CAB∗11]). Il permet de définir un enchaînement ou un couplage de codes, ces derniers devant préalablement être encapsulés en tant que composant SALOME pour correspondre au standard de la plateforme. Cette approche est très intéressante lorsque le couplage est bien défini à l’avance et fonctionnel. Elle n’est malheureusement pas applicable dans ce travail de doctorat car le problème du transfert de déformations géométriques n’y est pas traité. De plus, elle ne spécifie pas l’interface de chaque code, c’est-à-dire les différents appels à réaliser pour les piloter. SALOME se positionne comme un outil d’aide au couplage de codes de calcul. Grâce à ses différents modules, la plateforme est à même de réaliser les étapes en amont (GEOM, SMESH), pendant (YACS) et en aval (VISU) d’un couplage.
Modélisation par entités
Le principe de la modélisation par entités (FBM, Feature-Based Modeling) est de définir un objet physique par un ensemble d’entités, chacune possédant un certain nombre de caractéristiques qui la définissent, comme le matériau utilisé ou la couleur. Il s’agit d’une modélisation de haut-niveau qui permet d’outrepasser les limitations des modélisations géométriques classiques ([Gar03]) car elle consiste à représenter une pièce ou un assemblage 6 au travers de plusieurs entités.
Entités Une entité (feature) peut être définie ([SM95]) comme étant une partie physique d’un objet, étant applicable à une forme générale (e.g. il ne s’agit pas d’une forme spécifique), ayant une signification en ingénierie et ayant des propriétés prévisibles. Elle est, en réalité, constituée d’un groupement de plusieurs informations, appelées caractéristiques, qu’il est possible de classer en plusieurs groupes ([SR88]) :
– caractéristiques de formes : parties de la géométrie nominale,
– caractéristiques de tolérance : écarts avec les valeurs nominales,
– caractéristiques des matériaux : compositions, traitements, conditions,…
– caractéristiques technologiques : informations de performance. Cette liste est loin d’être exhaustive, il est possible d’en ajouter de nouvelles en fonction des besoins. Toutes ces notions peuvent être retrouvées dans [Sha88, Gar03]. En ce qui concerne la représentation de l’entité, c’est-à-dire son modèle géométrique, il peut être de n’importe quel type mais les plus utilisées sont les représentations par frontières et par primitives.
Conception par les entités Ces entités sont ensuite utilisées pour construire un objet plus complexe. Ainsi, dans [Gar03], Gardan explique qu’il est possible de représenter cet assemblage d’entités par un arbre binaire où chaque nœud est un ajout ou un retrait de matière. Le parallèle avec les arbres de construction du modèle CSG peut être réalisé. Il présente néanmoins une différence : les opérations booléennes (union, intersection) ne sont pas positionnées au niveau des nœuds de l’arbre mais sont intrinsèques aux entités. Si l’on souhaite réaliser un retrait de matière, il sera nécessaire de mettre en place une entité où l’une des caractéristiques sera de signaler qu’il s’agit d’un retrait de matière et non d’un ajout. L’absence des opérations booléennes dans l’arbre de construction permet de faciliter sa lecture. Il est alors important d’utiliser des noms d’entités explicites permettant de comprendre aisément qu’il s’agit d’un retrait de matière (i.e. trou, rainure), l’ajout étant la valeur par défaut.
Déformations de formes
Initialement proposées par Barr ([Bar84]), les déformations de formes s’appuient sur une liste hiérarchique de transformations pour modifier un objet. Les transformations élémentaires comprennent les opérateurs de mise à l’échelle, de pincement, de courbure et de torsion. A chacune d’elles correspond une matrice. Plusieurs peuvent être combinées par multiplications dans le but de créer des modifications plus complexes. L’idée de la déformation de l’espace dans lequel se trouve un objet a ensuite été reprise dans [SP86]. Les auteurs définissent une boîte englobant un objet à déformer et calculent les coordonnées paramétriques de l’objet pour pouvoir le lier à la boîte. Ils modifient ensuite la forme de la boîte englobante en déplaçant ses points de contrôle. L’objet se trouvant à l’intérieur est alors modifié (figure 2.6). Cette méthode a ensuite fait l’objet de nombreux travaux visant à l’améliorer et à la rendre plus générique. Les études [AS06, RGLG07, GB08] apportent de plus amples détails. Ces différentes approches, regroupées sous le terme de déformations de formes libres (FFD, Free-Form Deformations), sont beaucoup utilisées en modélisation géométrique avec interaction de l’utilisateur et la plupart des logiciels graphiques les intègrent. Les FFD souffrent néanmoins de plusieurs faiblesses, la plus importante étant le besoin d’interaction avec un utilisateur. De plus, très peu de méthodes permettent de modifier directement l’objet et donc de lui imposer des contraintes de passage, ce qui les rend difficilement utilisables dans notre cas.
Déformations physiques
La déformation de maillages peut également faire intervenir des équations physiques. Parmi ces méthodes ([NMK∗06]), seules les plus pertinentes pour répondre à notre problématique sont présentées. Les modèles masses-ressorts ont été utilisés dans [PB81]. Un maillage est vu sous forme d’un système où un poids est attribué à chaque nœud et les arêtes sont représentées par des ressorts. La position des nœuds dont le déplacement est connu est imposée, initialisant ainsi l’oscillation du système. Le maillage déformé correspond au résultat après stabilisation du système. Cette approche est itérative et souffre d’un temps de calcul augmentant avec le nombre de nœuds dans le maillage et du critère de convergence utilisé. Le principe des méthodes de déformations par croissance de régions est de positionner un maillage et de le modifier itérativement pour approcher au mieux une forme voulue, comme une surface déformée. Pour cela, deux énergies sont utilisées. La première est une énergie de gonflement favorisant le déplacement du modèle et l’éloignement des points dans la direction de leur normale. La seconde est une énergie de raideur ayant pour but de freiner ce déplacement pour éviter les artefacts. Parmi les plus connues, il est possible de citer les déformations élastiques ([TPBF87]), les contours actifs ([KWT88]) et les maillages simplexes de Delingette ([Del99]). Une étude plus complète sur les contours actifs est disponible dans [Ter03]. Malheureusement, ce type d’approches fait généralement intervenir des paramètres dont les valeurs sont difficiles à déterminer. Tout comme pour les modèles masses-ressorts, elles sont handicapées par le nombre d’itérations nécessaire pour aboutir au résultat. De plus, elles posent le problème du critère de convergence de l’approche itérative
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Table des matières
Table des figures
Sigles utilisés
Nomenclature
1 Cadre de l’étude
1.1 Simulations numériques
1.2 Problématique de la thèse
1.2.1 Centralisation des données
1.2.2 Transfert de déformations géométriques
1.3 Synthèse
2 Etat de l’art
2.1 Couplage de codes de calcul
2.1.1 ISAS
2.1.2 Travail de doctorat de T. Bonaccorsi
2.1.3 SALOME
2.1.4 MpCCI
2.1.5 ICoCo
2.1.6 Bilan
2.2 Modèle commun
2.2.1 Modélisation géométrique
2.2.2 Modélisation sémantique
2.2.3 Modélisation déclarative
2.2.4 Modélisation par entités
2.2.5 Bilan
2.3 Formats d’échange
2.3.1 Formats spécifiques
2.3.2 Formats génériques
2.3.3 Bilan
2.4 Caractérisation de déformations
2.4.1 Déformations d’espaces et de sous-espaces
2.4.1.1 Déformations de formes
2.4.1.2 Déformations utilisant des coordonnées différentielles
2.4.1.3 Fonctions de base radiale
2.4.1.4 Déformations physiques
2.4.2 Surfaces déformables
2.4.2.1 Multirésolution
2.4.2.2 Déformations physiques
2.4.3 Méthodes de transfert de déformations
2.4.4 Bilan
2.5 Méthodes de simplification
2.5.1 Fusions de faces
2.5.2 Ré-échantillonnage de surfaces polygonales
2.5.3 Plongement dans une grille régulière (vertex clustering)
2.5.4 Décimation
2.5.5 Contraction d’arêtes/faces
2.5.6 Bilan
2.6 Synthèse
3 Couplage de codes de calcul et modèle commun
3.1 Procédure de couplage de codes
3.2 Architecture du modèle commun
3.2.1 Intégration de données
3.2.2 Définition des caractéristiques
3.2.3 Niveau de finesse
3.2.4 Définition des entités
3.2.4.1 Entité de base
3.2.4.2 Entité abstraite
3.2.4.3 Entité élémentaire
3.2.4.4 Entité complexe
3.3 Modèle commun mis en place
3.4 Synthèse
4 Etudes préliminaires
4.1 Protocole d’évaluation mis en place
4.2 Interpolation linéaire
4.3 Fonctions de base radiale
4.3.1 RBF multiquadrique
4.3.2 RBF Thin-Plate Spline
4.3.3 CS-RBF
4.4 Synthèse
5 Transfert de déformations
5.1 Localisation des déformations géométriques
5.2 Définition de nouvelles fonctions
5.2.1 Méthode de validation mise en place
5.2.2 Fonction à support global Fα
5.2.2.1 Présentation
5.2.2.2 Etape de simplification et paramètre α
5.2.2.3 Etape d’interpolation
5.2.2.4 Fα et modèle commun
5.2.2.5 Résultats
5.2.3 Fonction à support local Fσα
5.2.3.1 Présentation
5.2.3.2 Etape de simplification et paramètre α
5.2.3.3 Taille de support et paramètre σ
5.2.3.4 Fσα et modèle commun
5.2.3.5 Résultats
5.2.4 Bilan
5.3 Application
5.3.1 Entre des représentations d’une même géométrie
5.3.2 Entre des représentations de géométries adjacentes
5.4 Synthèse
6 Mise en application
6.1 Cas d’application
6.1.1 Réacteur Jules Horowitz
6.1.2 Dispositifs expérimentaux
6.1.3 Présentation du cas d’application
6.2 Couplage réalisé
6.2.1 Calcul thermo-mécanique
6.2.2 Première étape intermédiaire
6.2.3 Calcul thermo-hydraulique
6.2.4 Seconde étape intermédiaire
6.2.5 Arrêt du couplage
6.3 Apport du transfert des déformations géométriques
6.4 Résultats obtenus
6.4.1 Maillage du fluide
6.4.2 Temps de calcul
6.4.3 Température du fluide
6.4.4 Simulation de l’écoulement du fluide
6.5 Synthèse
7 Synthèse et perspectives
Annexe
A Calculs complémentaires liés au cas pratique
A.1 Epaisseur moyenne de la lame d’eau
A.2 Diamètre hydraulique
A.3 Vitesse d’entrée du fluide
A.4 Nombre de Reynolds
A.5 Valeurs d’énergie cinétique turbulente et de sa dissipation
A.6 Puissance thermique
A.6.1 Puissance déposée dans les tubes
A.6.2 Puissance thermique évacuée par l’eau
A.6.3 Bilan possible et prévision des résultats
Liste des auteurs
Bibliographie
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