Thèse Simulations Hpc Diphasiques par Méthodes de Boltzmann sur Réseaux et Adaptation Automatique de Maillage H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences Laboratoire de recherche : CEA/STMF - Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides Direction de la thèse : Alain CARTALADE ORCID 0000000203405391 Début de la thèse : 2026-10-05 Date limite de candidature : 2026-07-16T23:59:59 Le CEA/STMF développe des outils de calcul scientifique en thermohydraulique qui ont pour objectif de quantifier les transferts de masse et d'énergie dans les systèmes nucléaires du cycle tels que les réacteurs et les dispositifs de retraitement ou de confinement des déchets radioactifs. Dans ce travail de thèse, on s'intéresse aux méthodes Lattice Boltzmann (LBM) adaptés aux maillages dynamiques (Adaptive Mesh Refinement - AMR) dans un environnement informatique mutualisé et générique sur base Kokkos et exécutable sur les supercalculateurs multi-GPU. Le travail proposé consiste à développer dans le code Kalypsso-lbm les méthodes LB pour simuler des Equations aux Dérivées Partielles (EDPs) couplées qui modélisent les écoulements incompressibles diphasiques et multi-composants comme ceux rencontrées dans les dispositifs de l'aval du cycle. Une fois les développements réalisés, ils seront validés avec des solutions de références qui permettront une comparaison des méthodes d'interpolation entre les blocs de différentes taille du maillage AMR. Une discussion sera réalisée sur les critères de raffinement et de déraffinement qui seront généralisés pour ces nouvelles EDPs. Enfin, des benchmarks de performance quantifieront l'apport de l'AMR sur des simulations 3D lorsque la simulation de référence est réalisée sur un maillage statique et uniforme. Ce travail exploitera les supercalculateurs GPU déjà opérationnels (e.g. Topaze-A100 du CEA-CCRT), ainsi que le supercalculateur exascale Alice Recoque selon l'état d'avancement de son installation. Le CEA/STMF développe des outils de calcul scientifique en thermohydraulique qui ont pour objectif de quantifier les transferts de masse et d'énergie dans les systèmes nucléaires du cycle tels que les réacteurs et les dispositifs de retraitement ou de confinement des déchets radioactifs. Dans le cas particulier des écoulements diphasiques, la Simulation Numérique Directe (Direct Numerical Simulation - DNS) à l'échelle fine sur de grands volumes n'est actuellement pas réalisable du fait du nombre de mailles très élevé nécessaire pour discrétiser chaque phase (bulk) et leurs interfaces. Pour pouvoir atteindre cet objectif, une stratégie consiste à utiliser des clusters de calculs de plus en plus puissants et énergivores (calcul haute performance - HPC) et à modifier ou réécrire les codes existants en cuda pour les adapter aux nouvelles architectures de cartes graphiques (multi-GPU).
Le sujet de thèse proposé vise à atteindre cet objectif à moindre coût en combinant une approche «Boltzmann sur réseaux» (Lattice Boltzmann Method - LBM) [1], dans un environnement informatique écrit en C++ et permettant une portabilité de performance multi-architecture. La LBM est une méthode numérique simple, explicite, très peu coûteuse en opérations élémentaires et parfaitement adaptée aux architectures parallèles. L'implémentation de cette approche dans un environnement Kokkos [2] permet de n'écrire qu'une fois le code de calcul tout en permettant 1) la portabilité sur différentes architectures et 2) l'exploitation efficace du parallélisme massif des supercalculateurs actuels avec MPI. Au STMF, une telle approche combinant la LBM avec Kokkos et exécutable sur des architectures multi-GPU a déjà été mise en oeuvre dans le code LBM_Saclay [3, 4, 5, 6]) mais uniquement sur des maillages cartésiens,
uniformes et statiques.
Dans ce travail de thèse, on s'intéresse aux aspects dynamiques du maillage (Adaptive Mesh Refinement - AMR) dans un environnement informatique mutualisé et générique, toujours sur base Kokkos, et exécutable sur les super-calculateurs actuels (Topaze A100 et Jean-Zay H100). L'utilisation d'un maillage adaptatif est une stratégie optimale pour suivre les interfaces en mouvement avec une discrétisation minimale de l'espace. Même si des travaux existent dans la littérature sur l'adaptation de la LBM en AMR [7, 8], la combinaison de ces mots clés sur des architectures multi-GPU reste encore peu explorée et exclusivement limitée aux écoulements monophasiques [9, 10, 11]. Cette thèse consiste à réaliser des simulations LBM d'écoulements diphasiques dans une architecture logicielle qui permet le raffinement et le déraffinement du maillage sur des clusters massivement parallèles (multi-GPU). Le travail proposé consiste à enrichir les modèles mathématiques et les méthodes numériques de Kalypsso-lbm en étudiant une nouvelle application physique. On considérera des écoulements incompressibles pour des phénoménologies multi-phases et multi-composants comme celles rencontrées dans les dispositifs de l'aval du cycle (nucléation-croissance, maturation d'Ostwald, croissance cristalline, etc.). Pour ces applications, les équations de Navier-Stokes doivent être complétées par une équation de Allen-Cahn (conservative ou non) pour le suivi des interfaces entre les phases, et par plusieurs équations de compositions qui sont moteurs du changement de phase ou des équilibres thermodynamiques. Les méthodes Lattice Boltzmann seront adaptées à ce nouveau modèle, en particulier l'opérateur MRT devra être mis en oeuvre sur un réseau D3Q27 pour simuler les forts ratio de densités entre phases (830 à température ambiante). Les fonctions d'équilibre seront adaptées pour chaque EDP du modèle continu et les conditions aux limites le seront elles aussi pour l'application visée. Une attention particulière sera portée sur le critère de raffinement et de déraffinement, actuellement basé sur le gradient de densité, qui sera généralisé pour intégrer le potentiel chimique et les vitesses locales du fluide. Tous ces développements devront être réalisés dans un environnement informatique contraint lié à l'AMR et à la portabilité multi-architecture.