Numerical methods and parallel algorithms for fast transient strongly coupled fluid-structure dynamics.
Méthodes numériques et algorithmes parallèles pour la dynamique rapide des systèmes fluide-structure fortement couplés.
Résumé
This HDR is dedicated to the research in the framework of fast transient dynamics for industrial fluid-structure systems carried in the Laboratory of Dynamic Studies from CEA, implementing new numerical methods for the modelling of complex systems and the parallel solution of large coupled problems on supercomputers. One key issue for the proposed approaches is the limitation to its minimum of the number of non-physical parameters, to cope with constraints arising from the area of usage of the concepts: safety for both nuclear applications (CEA, EDF) and aeronautics (ONERA), protection of the citizen (EC/JRC) in particular. Kinematic constraints strongly coupling structures (namely through unilateral contact) or fluid and structures (with both conformant or non-conformant meshes depending on the geometrical situation) are handled through exact methods including Lagrange Multipliers, with consequences on the solution strategy to be dealt with. This latter aspect makes EPX (http://www-epx.cea.fr), the simulation code where the methods are integrated, a singular tool in the community of fast transient dynamics software. The document mainly relies on a description of the modelling needs for industrial fast transient scenarii, for nuclear applications in particular, and the proposed solutions built in the framework of the collaboration between CEA, EDF (via the LaMSID laboratory) and the LaMCoS laboratory from INSA Lyon. The main considered examples are the tearing of the fluid-filled tank after impact, the Code Disruptive Accident for a Generation IV reactor or the ruin of reinforced concrete structures under impact. Innovative models and parallel algorithms are thus proposed, allowing to carry out with robustness and performance the corresponding simulations on supercomputers made of interconnected multi-core nodes, woth a strict preservation of the quality of the physical solution. This was particularly the main point of the ANR RePDyn project (2010-2013), with CEA as the pilot.
Cette HDR s'inscrit dans le cadre des actions de recherche pour la simulation des transitoires brutaux pour les structures et les fluides en interaction menées au Laboratoire d'Etudes de Dynamique du CEA, relatives à la définition de méthodes numériques pour la modélisation de systèmes mécaniques complexes et la résolution parallèle sur les supercalculateurs de problèmes de taille industrielle. Une particularité des approches proposées est la limitation à son minimum du nombre de paramètres non-physiques dans une simulation, pour s'accommoder des contraintes de maîtrise de la solution qu'impose le périmètre d'utilisation des concepts : sûreté nucléaire (CEA, EDF) ou aéronautique (ONERA, protection du citoyen (EC/JRC), en particulier. Ainsi, les contraintes cinématiques couplant fortement les structures entre elles (contact unilatéral par exemple) ou les fluides et les structures (avec des maillages conformes ou topologique déconnectés en fonction des situations géométriques) sont majoritairement traitées par l'intermédiaire de multiplicateurs de Lagrange, assurant la vérification exacte des équations de liaison au prix de la résolution d'un système additionnel variable dans le temps. Ce dernier aspect fait d'EPX (http://www-epx.cea.fr), le logiciel servant de réceptacle pour les méthodes, un outil à part dans la communauté du calcul en dynamique rapide. Le mémoire repose principalement sur une description des besoins en matière de modélisation pour la simulation de transitoires de référence, en particulier dans le monde du nucléaire, et des réponses apportées dans le cadre de la collaboration entre le CEA, EDF (via le LaMSID) et le LaMCoS. Sont ainsi considérés par exemple la déchirure d'un réservoir sous impact, l'accident de dimensionnement du confinement pour un réacteur de IVème génération ou la ruine d'une structure en béton armée sous impact. Sont ainsi proposés des modélisations innovantes et des algorithmes de résolution parallèles permettant de mettre en oeuvre avec efficacité les simulations correspondantes sur des calculateurs composés de noeuds multi-coeurs interconnectés sans jamais dégrader la qualité de la solution, ce qui a fait en particulier l'objet du projet ANR RePDyn (2010-2013), piloté par le CEA, à l'origine d'une collaboration étroite et en cours avec l'INRIA (Laboratoire d'Informatique de Grenoble).
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