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Méthodes avancées pour les maillages dans le calcul haute performance des simulations d'explosion
Get PDFDes améliorations considérables ont été apportées à la simulation numérique par LES (Large Eddy Simulation) au cours des trente dernières années. Cela a été possible grâce à l'introduction de méthodes numériques plus robustes, à l'amélioration de la modélisation des conditions aux limites et à l'utilisation de produits chimiques plus précis et détaillés dans le domaine de la combustion. Le calcul haute performance est un facteur clé. Le calcul haute performance est un facteur clé pour que ces simulations puissent être réalisées dans un délai raisonnable et utiliser des géométries représentatives réalistes à grande échelle. Malgré les avancées dans tous ces domaines, le goulot d'étranglement pour la résolution de ces problèmes reste la résolution/qualité du maillage initial. L'objectif de cette thèse est d'abord de comprendre pourquoi la résolution du maillage est importante grâce à l'analyse de la stabilité globale, puis d'atténuer ce problème en utilisant l'adaptation dynamique du maillage pour les problèmes d'explosion liés à la combustion. La première partie du manuscrit traite de l'analyse de stabilité globale (GSA) de l'équation de convection-diffusion linéaire (LCDE) et de l'équation de convection-diffusion-réaction linéaire (LCDRE) pour les écoulements sans réaction et avec réaction respectivement. Cette analyse montre l'importance des paramètres non dimensionnels tels que le nombre CFL Nc, le nombre de Peclet Pe et le nombre de Damkohler, Da sur la stabilité, la nature dispersive et diffusive du schéma numérique choisi (schémas Lax-Wendroff et TTGC). L'analyse met en évidence l'importance de la résolution du maillage pour obtenir une solution précise et stable pour tout problème numérique. En particulier, lors de la résolution de problèmes réalistes d'écoulement réactif, il est primordial de résoudre le front de flamme de manière adéquate pour obtenir des solutions précises. Pour surmonter ce problème, lors de la résolution de simulations réalistes d'écoulement réactif à grande échelle, il est utile d'utiliser le raffinement dynamique du maillage en cours d'exécution pour des raisons de précision et de coût. Dans la deuxième partie du manuscrit, deux techniques différentes d'adaptation dynamique du maillage sont expliquées. Bien qu'utilisant un algorithme générique similaire, les différences entre les deux techniques sont détaillées. Plusieurs cas de test sont simulés pour valider les techniques d'adaptation. Une quantité d'intérêt (QOI) appropriée est choisie en fonction du cas étudié. À l'aide de cette quantité d'intérêt, deux cas d'essai d'écoulement réactif à grande échelle, compressible et turbulent sont simulés en utilisant l'adaptation dynamique du maillage dans le but d'obtenir la même précision tout en obtenant des avantages en termes de performance
Scalable linear solver for thermo-hydro-mechanics with a second gradient of dilation regularization problems
Get PDFWe are interested in the modelling of thermo-hydro-mechanical (THM) problems that describe the behaviour of a soil in which a weakly compressible fluid evolves. The soil is represented as a porous medium and the fluid is subjected to various mechanical, thermal and hydraulic stresses. This model is used for the simulation of the THM impact of the high level activity radioactive waste exothermicity within a deep geological disposal facility build in a clay-based host rock. To avoid the loss of uniqueness of the numerical solution and, more importantly, problems with the strain localization which are often encountered in soil computations, we shall consider non-locally regularized equations based on a second gradient theory. In this approach, a new primal unknown, modelling the trace of the displacement gradient, is introduced. The objective of this work is to find a parallel and scalable iterative solver for the system of equations after linearization. While extensive research has been carried on linear solvers for poroelasticity, this is not, to our knowledge, the case for the second gradient formulation. In this thesis, we shall present a block preconditioner for the fully coupled THM equations with a second gradient of dilation regularization. It is a block Gauss-Seidel approach, in which a multigrid method is used to precondition the blocks of the displacement, pressure, temperature and micro volume changes. Furthermore, we use a weighted mass matrix as preconditioner for the Lagrange multipliers block. We present numerical results that reflect the good performance of the proposed preconditioner in terms of iteration count of the iterative solver, the robustness of the preconditioner in terms of parameter variation and that is furthermore independent of the mesh size
Estimation des gradients de température pendant le remplissage d'un réservoir d'hydrogène gazeux
Get PDFHydrogen can be employed to power a fuel-cell vehicle (FCV). In order to gather 5 kg of gaseous hydrogen in a 125 L tank to reach a 500 km range, it must be stored at high-pressure, 700 bar. For a filling time ranging from 3 to 5 min, the rapid compression of gaseous hydrogen, from 20 bar to 700 bar, induces an increase of gas temperature in the tank. According to safety recommendations, the temperature must not exceed 85°C for composite tanks. To restrain the rising averaged temperature in the tank, the injected hydrogen is cooled down to -40°C depending on the ambient temperature and tank initial pressure. Assuming a uniform temperature in the tank, 0 dimension (0D) models were developed in order to predict the averaged gas temperature during the filling process. Depending on the injected gas temperature and mass flowrate, a final filling temperature is estimated. An optimization process can then be carried out in order to limit the energetic cost of a filling, while keeping the final averaged temperature below 85°C. However, experimental observations reveal the existence of thermal gradients for some filling scenarios of horizontally tank leading to local peaks exceeding 85°C while the averaged temperature remains below the limits. These thermal heterogeneities cannot be predicted by 0D models and question their relevance for the optimization of the filling process. The link between the thermal stratification and the filling scenario has been established but the underlying mechanisms involved still need be clarified. This is the object of the present work, which aims at investigating, through numerical simulations, the fluid dynamics and thermal phenomena at play during the filling process of a hydrogen filled horizontally with an axial injection. As the first step, a numerical model capturing the tridimensional hydrogen flow and the thermal conduction through walls is developed via the open-source software OpenFOAM. The accuracy of the numerical approach is assessed by comparison with different experimental measurements and previous results, for two thermally contrasted filling scenarios, i.e. homogeneous versus heterogeneous. The homogeneous scenario is well predicted while the thermal gradient is underestimated for the heterogeneous scenario. This is consistent with the results from previous numerical studies. As the second step, focus is placed on the improvement of thermal gradient prediction by analyzing the impact of turbulence modeling approach, especially on thermal diffusivity. A turbulence model leading to an improved prediction of the thermal behavior is identified and implemented. Finally, the physical mechanisms of thermal stratification are more specifically examined in order to improve 0D models. As shown by tridimensional simulations, the stratification results from a deflection of the cold injected jet towards the lower hemisphere of the tank, due to buoyancy forces. A model of buoyant jet is suggested to predict the jet deflection and provide insights into thermal stratification. This is expected to enhance the reliability of the optimization procedure of filling scenarios based on 0D models
Nouvelle mesure de la robustesse des animaux d'élevage par utilisation des données de phénotypage haut-débit
Get PDFDans un contexte de changement climatique, de transition agro-écologique et de nouvelles demandes de la société pour le bien-être animal, les animaux de demain seront élevés dans des milieux suboptimaux ou changeants auxquels ils devront pouvoir s’adapter. Il est donc nécessaire de sélectionner des animaux robustes. La robustesse est un caractère complexe et difficile à mesurer. Le but de cette thèse était de proposer un nouveau critère de robustesse pour la sélection par utilisation des données de phénotypage haut-débit. Nous avons dans un premier temps démontré, par simulation, que la sélection animale à partir des phénotypes de production enregistrés dans un environnement fortement contrôlé tel que rencontré en élevage de sélection porcine, ne permettait pas une sélection conjointe sur la production et la robustesse. En effet, en simulant une sélection sur le poids à 100j de contrôle en engraissement, nous avons comparé les paramètres et valeurs génétiques (VG) pour ce phénotype dans deux situations : en l’absence ou en présence de perturbations. Bien que l'héritabilité du caractère ait diminué en présence de perturbations (de l’ordre de 28 %), les VG prédites ne correspondaient pas à une combinaison du potentiel génétique de production et de robustesse (les corrélations partielles entre ces dernières et le vrai potentiel de robustesse n’étant pas significativement différentes de 0). Il était donc nécessaire de proposer une méthode de mesure de la robustesse qui puisse être appliquée en élevage de sélection porcine. Nous avons développé pour cela la méthode Up & Down qui consiste, en étudiant la dynamique d’évolution d’un phénotype au cours du temps à des échelles différentes : individuelle ou groupe d’animaux (case et bande), à identifier et caractériser les perturbations à ces différentes échelles puis mesurer les réponses individuelles face à ces perturbations, c.- à-d. quantifier la robustesse. Cette méthode a été validée dans un premier temps par simulation : la sensibilité de détection de perturbation variait selon l’échelle sur laquelle cette dernière intervenait (93%, 73% et 43% à l’échelle de la bande, la case et individuelle, respectivement) tout en conservant une bonne spécificité (supérieur à 95% à toutes les échelles). Les jours de début et fin des perturbations étaient correctement estimés (écart en valeur absolue médian de 2 à 3 jours entre les estimations et les vraies valeurs selon l’échelle) tout comme l’intensité de la perturbation (corrélation entre l’intensité vraie et sa valeur prédite de 0,78, 0,72, 0,50 à l’échelle de la bande, la case et individuelle respectivement). La méthode Up & Down a ensuite été appliquée aux données de consommation cumulée et poids de 6298 porcs en croissance de la station de phénotypage du Rheu. Les perturbations identifiées ont été confirmées par les données météorologiques et de santé enregistrées dans l’élevage : les moments estimés des perturbations détectées correspondaient relativement bien aux moments où les conditions météorologiques étaient délétères ou des moments où des problèmes de santé avaient été identifiés dans l’élevage (les écarts variaient entre 1,5 et 3 jours selon l’échelle). Enfin, un nouveau critère des composantes de la robustesse (résistance et résilience) a été proposé : la pente minimale du phénotype pour la résistance, et la pente du phénotype entre la fin de la perturbation et la fin de réaction de l’animal pour la résilience. Un modèle animal a été appliqué pour estimer les paramètres et VG de ces nouveaux phénotypes sur trois sets de simulations en variant le pourcentage de perturbations de groupe. A partir de ces nouveaux caractères, les résultats ont montré qu’une augmentation du pourcentage de perturbations simulées avait tendance à entrainer une diminution des héritabilités et une augmentation de la précision des VG prédites des deux composantes de la robustesse
Understanding the role of ruminal microbiota in phenotype expression in Lacaune dairy sheep
Get PDFAnimal breeding has shown in recent years an increasing interest in the use of digestive microbiota information, given the association with the physiological traits of the host. In this context, the hypotheses of this thesis are: 1) the rumen microbiota influence milk composition and udder health traits, and 2) a genetic determinism exist on rumen microbiota that affects milk composition and udder health traits. To address these hypotheses, we explored the relationship between the host genome and ruminal metagenome in the modeling of dairy ewe’s phenotypes. The “MicroGenOL” project was based on 795 Lacaune ewes from two genetic lines reared under the same housing and feeding conditions at the INRAE Experimental Unit of La Fage. For all animals the fine milk composition was predicted by mid-infrared spectra, and for 118 ewes, fatty acids (FAs) were measured by gas chromatography. In addition, all animals were genotyping with 54k SNP chip, and one rumen sampling for all animals, or two one week apart for 118 ewes, were collected. Rumen samples were sequencing of 16S RNA gene. To work with microbial abundances due to their compositional nature, a workflow was defined: after bioinformatics process of the raw sequences, operational taxonomic unit (OTU) counts in the abundance table were transformed in logratios (after zeros imputation) and corrected by environmental factors using linear models. The variability of microbial abundances between two weeks and the impact of data processing on genetic estimations allowed for us to defined the best way to work with, and the limits of results interpretation. The first analysis focused on the influence of the rumen microbiota on the phenotype. We found low (<|0.20|) phenotypic associations with milk FAs and proteins, and moderate (|0.20–0.50|) associations with rumen FAs. In addition, the microbial matrix explains a very low percentage of the fine milk composition variability (microbiability null for FAs and lower than 0.06 for proteins). Using the microbiota data as a whole didn’t allow for evidence relationships with none of the dairy traits, but at the OTU level, associations have been demonstrated with direct products such as rumen FAs and in a lesser extent with milk FAs and proteins. Regarding the existence of host genetic control over the rumen microbiota composition, we found a low impact on the microbiota since only 15% of rumen bacterial abundances showed significant heritabilities (0.10-0.29). The genetic associations for those heritable OTUs with the fine milk composition was high (|0.35-0.99|) but for less than 5% of OTUs. Six quantitative trait loci regions were detected for bacterial abundances in autosomal chromosomes 3, 5, 10 and 11, but none were in common with those of dairy traits. Finally, given that most OTUs were not controlled by host genetics and the weak associations between microbiota and fine milk composition, genetic selection of sheep for microbial abundance does not seem promising. However, considering the transmissibility of non-genetic effect possibly carried by the microbiota could be an interesting opportunity to increase the genetic progress. This project produced new perspectives to incorporate of the host and its microbiota in animal breeding through a better understanding of the biology behind the models
Impact des propriétés physico-chimiques sur l'hydrodynamique et le transfert de matière des films ruisselants sur des surfaces corruguées
Get PDFCes travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre des recherches qui visent à étudier les variations locales de l’hydrodynamique et du transfert de matière des écoulements en film mince, sur des surfaces complexes proches de celles des colonnes à garnissage structuré utilisées pour le captage du CO2. Dans ces colonnes, le gaz à traiter qui s’écoule à contre-courant est mis en contact avec un solvant liquide. Ce dernier ruisselle sur les plaques de garnissage dont la géométrie a pour but de maximiser les taux de transfert de matière et de chaleur et l’aire de contact. Le taux de transfert est relié à l’hydrodynamique de l’écoulement au sein de ces garnissages. Plusieurs paramètres jouent un rôle important sur les régimes d’écoulement dans ces garnissages parmi lesquels : la physico-chimie du solvant, le débit liquide, le débit gaz, la géométrie, l’état de surface des plaques et leurs inclinaisons. L’objectif de cette thèse est de caractériser expérimentalement l’écoulement en film mince ruisselant afin d’améliorer la compréhension et par suite le développement des modèles des écoulements diphasiques. Dans cette étude, les impacts des paramètres précités ont été étudiés en mesurant l’épaisseur du film liquide, la vitesse interfaciale et le transfert de matière côté liquide en utilisant des méthodes optiques non intrusive. Un dispositif expérimental a été conçu. Trois plaques (plane, corruguée transversale et une géométrie similaire au MellapakTM 250Y) ont été fabriquées pour caractériser le rôle de la géométrie sur la structure de l’écoulement. Deux fluides caractérisés par une faible tension de surface (σ = 35 et 50 mN/m) et trois fluides caractérisés par une viscosité élevée (μ = 5, 10 et 15 mPa.s) ont été utilisés. L’épaisseur du film liquide et la vitesse interfaciale ont été mesurées sur les trois plaques en appliquant une technique basée sur l’intensité de fluorescence. Le couplage des mesures d’épaisseur du film et de la vitesse interfaciale a permis de mieux cerner l’influence des paramètres étudiés sur les phénomènes d’instabilités observés.Les taux de transfert de matière ont été estimés uniquement sur la plaque proche de celles composant un élément de garnissage MellapakTM 250Y. La méthode de temps de vie de fluorescence a été mise en œuvre pour des mesures à l’échelle locale. Cependant, les mesures de transfert de matière locales n’ont pas pu aboutir car la méthode s’est avérée inadaptée aux écoulements instables. Des pistes d’améliorations ont été identifiées, mais elles n’ont pas pu être mises en œuvre dans le cadre de cette thèse. L’absorption physique d’oxygène dans la phase liquide a été retenue à l’échelle globale de la plaque (prélèvements en entrée et en sortie du dispositif). Les mesures de transfert de matière globales ont permis d’estimer une dépendance du coefficient de transfert côté liquide par rapport aux débits gaz, liquide et en fonction de la physico-chimie des fluides. Ces résultats expérimentaux supporteront le développement des modèles d’écoulement diphasiques sur des géométries représentatives d’une plaque de garnissage, et notamment pour les calculs CFD
Prévention des fautes temporelles sur architectures multicœur pour les systèmes à criticité mixte
Get PDFL'émergence de calculateurs multicœurs plus puissants, mais aussi plus complexes, présente à la fois une opportunité et de nouveaux enjeux pour l'intégration de systèmes à criticité mixte. Ces systèmes, qui embarquent des fonctionnalités de différents niveaux d'importance, requièrent le respect d'exigences temporelles. En effet, plus un logiciel est critique, plus les conséquences en cas de dépassement d'échéance d'exécution peuvent être catastrophiques. Par conséquent, des mécanismes de sûreté de fonctionnement doivent être mis en place pour prévenir ce risque. L'usage de calculateurs multicœurs exacerbe cette problématique avec l'exécution concurrente de tâches qui peut provoquer des interférences inter-tâches. Cela est dû au partage de ressources associées à la plateforme matérielle partagée. La mémoire, les périphériques, les bus d'accès ainsi que les espaces mémoire partagés constituent ainsi des points de congestion potentielle. Cela peut alors mener à des retards dans l'exécution de tâches critiques uniquement du fait de l'exécution parallèle de tâches à plus faible niveau de criticité. En conséquence, les risques de non-respect des exigences temps-réel deviennent d'autant plus importants sur ces processeurs. De plus, la complexité croissante des architectures matérielle rend aussi plus difficile de complètement maîtriser et prévenir en amont tout risque d'interférences. Les solutions existantes à un tel problème se font au détriment d'autres éléments qui deviennent tout autant nécessaires dans l'industrie, dont notamment la maximisation d'usage des ressources de calcul. Ainsi, notre proposition cherche à répondre à la fois au besoin de garanties temps-réel sur les tâches critiques tout en permettant une bonne utilisation des ressources offertes par les calculateurs multicœurs. Dans ce cadre, ces travaux se focalisent sur l'étude des tâches critiques sous forme de chaînes de tâches fonctionnelles. De fait chaque fonctionnalité exécutée correspond à une chaîne de différents blocs logiciels exécutés séquentiellement. Avec cette approche, on propose un mécanisme de Surveillance et de Contrôle qui offre des garanties minimales sur une chaîne de tâche critique, par anticipation de risques d'interférences qui pourraient mener à une défaillance. L'anticipation ayant pour moyen de neutralisation des interférences la mise en pause temporaire des tâches non critiques. L'objectif est d'obtenir une garantie d'exécution bout-en-bout de la chaîne de tâche sans dépassement d'échéance, avec une limitation des tâches non critiques uniquement quand nécessaire, de façon à ce que le reste du temps, on puisse exploiter au maximum la puissance de calcul et les ressources disponibles. Avec un tel mécanisme, nous proposons un protocole d'implémentation et de calibration, ainsi qu'une première analyse à partir d'une plateforme expérimentale dédiée
Raffinement itératif en précision mixte pour la résolution de systèmes linéaires creux de grande taille
Get PDFL'accessibilité grandissante des arithmétiques à précision faible (tfloat32, fp16, bfloat16, fp8) dans les calculateurs encourage le calcul à hautes performances à se tourner vers la précision mixte. En employant principalement des précisions faibles tout en faisant un usage intelligent de précisions hautes, les algorithmes de précision mixte sont capables d'exploiter les bénéfices des précisions faibles tout en préservant la qualité de la solution calculée. Le raffinement itératif est un des plus vieux et des plus célèbres représentants de cette classe d'algorithme; il est capable de réduire efficacement la consommation de ressource des solveurs linéaires tout en conservant la robustesse et la qualité de la solution. Cette thèse est dédiée à étudier l'utilisation de cet algorithme pour la résolution de systèmes linéaires creux. Elle est architecturée de la façon suivante. Dans un premier temps nous nous intéressons à produire un récapitulatif complet sur les algorithmes de raffinement itératif. Cela couvre une liste des différentes études de recherche sur le sujet au travers du temps, et une description technique de certains de ces algorithmes les plus à la pointe. Dans un second temps nous nous intéressons à l'amélioration des solveurs directs creux à l'aide du raffinement itératif. Nous procédons en deux étapes. D'abord nous relaxons des conditions restrictives de l'algorithme LU-GMRES-IR3 qui est une forme de raffinement itératif capable de traiter des factorisations peu précises pour des problèmes mal conditionnés. Pour ce faire, nous proposons l'algorithme LU-GMRES-IR5 utilisant cinq précisions indépendantes. Ensuite, nous abordons l'implémentation parallèle de raffinement itératifs combinés avec des factorisations creuses approximées pour la résolution de problèmes industrielles. Notre étude de performance démontre que ces approches nous permettent d'obtenir des réductions importantes de la consommation en temps et en mémoire. Finalement, nous nous intéressons à l'amélioration des solveurs itératifs creux. Nous développons une analyse pour un nouvel algorithme de GMRES préconditionné en précision mixte (M-GMRES-IR6), cette analyse aspire en particulier à couvrir des implémentations existantes de GMRES et à proposer une nouvelle stratégie de précision mixte consistant à appliquer le préconditionneur dans une précision plus basse que le produit matrice--vecteur. Nos résultats numériques ouvrent la voie à des implémentations parallèles de GMRES plus économes en temps et en mémoire
Analysis of Adaptive Detectors Robustness to Mismatches on Noise Mean Value
Get PDFWe consider the problem of detecting a signal of interest corrupted by Gaussian noise with unknown mean and covariance matrix when the training samples available have a different mean. We evaluate the robustness of well-known adaptive detectors designed under the assumption of a same mean. More precisely, statistical representations of the generalized likelihood ratio test, the adaptive matched filter and the adaptive coherence estimator are derived for both an additive model with an arbitrary mismatch between the means, and a replacement model which is widely used in hyperspectral imaging. The new representations are given in terms of simple distributions and are shown to depend in a simple way on the norm of the whitened mean difference and its angle with the whitened signal of interest signature, or on the replacement factor. These new representations allow to identify the key parameters that impact most the probability of false alarm and probability of detection. Numerical simulations illustrate the theoretical results
Development of a Panel Method for Preliminary Design of Aero-Propulsive Systems
Get PDFThe paper presents development of a low-fidelity tool capable of calculating pressure and velocity field of an aeropropulsive element (aerofoil and an integrated ducted propulsor). To that end, conventional panel method is extended by including the emanating propulsive jet as a part of the solid aero-propulsive geometry. The mathematical formulations and the algorithm used by the tool to characterise the propulsor and determine the jet shape are presented. Then, a series of results and parametric studies performed with the tool considering different input parameters are shown in order to demonstrate the potential of the tool to tackle a broad design space. Rudimentary validation is carried out by comparing the calculated lift coefficient at different angles of attack is compared with reference RANS CFD results; agreement between the two is observed, especially at low angles of attack