Utilisation de l'IBM Blue Gene/P de l'IDRIS : Le projet ContrAct-FlamJets

Simulation Numérique aux Grandes Echelles du Contrôle Actif de Flammes à Jets Séparés : Extension au cas diphasique (ContrAct-FlamJetS) Nom du responsable et des collaborateurs : T. Poinsot, N. Guézennec, L. Selle Affiliations : Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse, 1 allée Professeur Camille Soula, 31400 Toulouse

Le projet ContrAct-FlameJetS a pour but de comprendre et concevoir des systèmes de contrôle des jets utilisés pour injecter les réactifs dans les chambres de combustion. La simulation numérique par méthode aux grandes échelles de ces systèmes est un challenge numérique qui ne peut être atteint que sur des machines massivement parallèles comme Babel. Pour cela, il est nécessaire d'utiliser un code de mécanique des fluides adapté à ces architectures. Pour ContrAct-FlameJetS, il s'agit du code AVBP, développé par le CERFACS, l'IFP et plusieurs laboratoires CNRS.

Durant le second semestre 2008, le code AVBP a été implémenté et testé avec succès sur l?architecture Blue gene/P de BABEL. Les heures allouées ont permis d?effectuer une première simulation aux grandes échelles de l?injecteur conçu pour l?étude et d?en comparer les résultats aux mesures fil chaud obtenues sur le banc expérimental de l?IMFT.

L?application de cette étude est le contrôle actif de la combustion dans un oxy-brûleur à jets séparés. En particulier, il s?agit d?explorer les possibilités de contrôle d?un jet principal de combustible au moyen de jets auxiliaires. Durant leur thèse à l?IMFT, Vincent Faivre et Thomas Lederlin ont prouvé l?efficacité de tels systèmes pour modifier la topologie d?un jet gazeux.

L?objectif actuel de l?étude est d?étendre l?utilisation des actionneurs jets dans des brûleurs à combustible liquide. Le projet s?articule autour de deux parties :

• Une étude expérimentale visant à déterminer les actionneurs les plus efficaces pour contrôler un spray et leurs plages de fonctionnement.
• Une étude numérique en LES afin de comprendre les effets mis en jeu par le contrôle, en particulier l?interaction entre le spray et les jets actionneurs.

AVBP est un code parallèle de calcul de mécanique des fluides et combustion qui résout les équations de Navier-Stokes en régime laminaire ou turbulent, dans deux ou trois dimensions, sur des maillages non-structurés et hybrides. Les écoulements calculés peuvent être stationnaires ou instationnaires. Bien qu?initialement conçu pour des calculs stationnaires en aérodynamique, le domaine quasi-exclusif d?activités d?AVBP est aujourd?hui la modélisation d?écoulements internes turbulents réactifs. Ce type d?écoulements est principalement résolu par l?approche aux grandes échelles (LES : Large Eddy Simulation). AVBP est développé conjointement au CERFACS et à l?Institut Français du Pétrole par environ 30 chercheurs et ingénieurs et représente aujourd?hui dans le monde un des outils de CFD les plus avancés pour la simulation d?écoulements turbulents instationnaires réactifs.

AVBP est bâti comme une bibliothèque de modules. Ce qui permet une répartition parallèle des domaines de calcul et comprend des outils de réorganisation des données : routines d?allocation dynamique de mémoire, de parallélisation des entrées/sorties et des méthodes itératives. De plus, les méthodes numériques utilisées sont basées sur des schémas Volumes Finis de type Lax-Wendroff ou Elements Finis (type Taylor-Galerkin) qui sont tous explicites. Le code est donc massivement parallélisable et a depuis longtemps prouvé son adaptation et son efficacité sur différents types d?architectures parallèles.

L?implémentation d?AVBP a été l?occasion de tester la version 6.0 prépart du code. Cette dernière permet  de partitionner le domaine de calcul sur une autre machine. Le calcul est ensuite effectué sur BABEL sans cette première procédure très gourmande en mémoire. On peut alors utiliser au mieux les capacités de l?architecture Blue Gene/P très exigeante sur l?utilisation de la mémoire. Les tests d?extensibilités du code sur BABEL en mode VN ont montré un speed-up proche de 1 jusqu?à 1024 processeurs.

Un premier calcul LES d?un jet monophasique coaxial a été effectué sur un maillage de 13 millions de cellules tétraédriques. Ce calcul correspond à la configuration sans contrôle et sans injection de liquide de l?injecteur expérimental conçu pour cette étude. Des comparaisons à des mesures expérimentales d?anémométrie fil chaud ont permis de valider ces premiers résultats.

Pour ce calcul, la turbulence injectée en entrée du domaine a été  générée avec la méthode de Kraichnan/Celik. La particularité du code AVBP est de résoudre les équations compressibles de Navier Stokes. Des conditions caractéristiques doivent donc être utilisées pour imposer l?écoulement en entrée du domaine de calcul. Les méthodes classiques type NSCBC se sont avérées inadaptées pour imposer l?écoulement avec les statistiques désirées tout en restant non réfléchissant. Nous avons donc développé une nouvelle condition limite caractéristique d?entrée non réfléchissante nommée VFCBC (Vortical Flow Characteristic Boundary Condition) adaptée à l?injection d?un écoulement subsonique turbulent.

Figure 1 : Courbes de speed-up du Code AVBP sur différentes architectures

Figure 2 : LES d?un jet coaxial. Structures tourbillonnaires colorées par la vitesse

N. Guézennec, T. Poinsot (2008), « Acoustically non-reflecting and reflecting boundary conditions for vorticity injection in compressible solvers », soumis à AIAA Journal, en révision.