Utilisation de l'IBM Blue Gene/P de l'IDRIS : Analyse TomoPIV (TIPV)

Analyse TomoPIV (TIPV)

Responsable : Sébastien COUDERT CORIA (UMR CNRS 6614) :     B. Lecordier LEA     (UMR CNRS 6609) :     L. Thomas, V. Grulier, P. Braud, B. Tremblais, L. David LML    (UMR CNRS 8107) :      C. Atkinson, S. Coudert, J.M. Foucaut, M. Stanislas, J. Soria

Résumé du projet

Dans le cadre de l'ANR Vive3D, 3 laboratoires UMR CNRS : CORIA, LEA et LML implémentent conjointement des logiciels afin de développer de la technique de 'Tomographic PIV' (TPIV) pour leurs applications en mécanique des fluides. Actuellement, seul un logiciel commercial existe dans le monde de la Recherche ; le challenge est de réaliser un deuxième logiciel (écrit par des scientifiques du domaine public) en ajoutant une capacité de traitement, inexistante à ce jour, par l'exécution du code sur une machine massivement parallèle. L'utilisation de la machine BlueGene/P concerne 3 aspects:

  1. le développement de la technique de TPIV sur des machines à mémoire distribuée.
  2. l'analyse d'images acquises lors de campagnes d'essais expérimentaux en TPIV.
  3. le post-processing des résultats de 'Tomographic PIV'

Objet de la recherche, problématique scientifique

Les 3 laboratoires : CORIA, LEA et LML développent depuis plus d'une dizaine d'années les méthodes de mesures expérimentales (PIV, SPIV) dans divers écoulements selon leurs thématiques de recherche spécifiques en mécanique des fluides. Ces méthodes permettent de mesurer des champs de vitesses à deux ou trois composantes dans un plan à partir d'images enregistrées sur une ou deux cameras. Aujourd'hui, ces laboratoires implémentent conjointement des logiciels afin de développer la technique de 'Tomographic PIV' (TPIV) pour leurs applications au sein de l'ANR VIVE3D (Vélocimétrie Instantanée Volumique pour les Ecoulements Tridimensionnels). Cette méthode consiste à enregistrer des images sur un grand nombre de cameras afin de déduire les trois composantes de la vitesse d'un fluide dans un volume. Une configuration standard est l'utilisation d'un laser et de 4 cameras. Deux acquisitions sont nécessaires pour mesurer le déplacement des particules ensemencées dans le fluide étudié. A partir de chaque acquisition, le volume est reconstruit par méthode tomographique puis les 2 volumes sont inter-corrélés pour déterminer le déplacement en différents points d'une grille du volume étudié (processing)  (cf. figure 1). Enfin, les résultats sont analysés principalement de manière statistique (post-processing).

Caractéristique du code et de l'implémentation sur la Blue Gene/P

Code TPIV (processing)

Le code TPIV réalise tout d'abord la reconstruction de 2 volumes (tomographie à partir de multiples vues) puis la corrélation de ceux-ci au points d'une grille 3D (mesure de déplacement). En entrée, sont les images acquises (matrice de pixel) ainsi que des fichiers de paramètres de configuration et d'analyse, en temporaire (optionnellement en sortie), sont les volumes (matrice de voxel) et enfin en sortie, sont les matrices 3D des vecteurs vitesse (matrice 3D de composantes de vecteurs vitesses). Le rapport de données entre l'entrée et la sortie est de l'ordre de 10 à 100.

Code PPlml (post-processing)

Le code PPlml réalise principalement des analyses statistiques des volumes de vecteur vitesse. Les traitements sont réalisés en prenant en compte la validité de la mesure et des directions homogènes. En entrée, sont les matrices de vecteurs vitesses et en sortie, des volumes de taille le plus souvent inférieure (par exemple, des moyennes (ordre de 1000 fois inférieure), des corrélations en 2 point (ordre de 100 fois inférieure), …).

Description des résultats obtenus

L'analyse TPIV (processing) est une analyse tomographique de reconstruction suivi d'une analyse en corrélation à multiple passes.

  1. Reconstruction 3D de type ART, mais avec la particularité de n'avoir que très peu de vues (4 cameras).
  2. Corrélation 3D de type FFT ou directe sur des petits volumes (ordre 64x64x64 voxels).

Les processus sont relativement indépendant, travaillant sur de petits volumes de données, mais en grand nombres. Cependant, à certains moments clefs rares, les processus doivent échanger leurs données. La plate-forme BlueGene est idéale pour ce code. Actuellement, l'efficacité de ce code est de l?ordre de 0.90 avec 4096 cores (cf. figure 2). L'analyse TPIV (post-processing) est une analyse statistique avec validation de la mesure (flag) et avec directions d'homogènéités. Les algorithmes actuellement disponibles et parallélisés sont : moments statistiques centrés et corrélation en 2 points. Les processus sont indépendant jusqu'au résultat final qu'il faut échanger. La plate-forme BlueGene est idéale pour ce code. Actuellement, l'efficacité de ce code est de l?ordre de 0.90 avec 2048 cores.

Echantillon : multiple vue Reconstruction 3D Corrélation 3D
Projet TIPV : Vue multiple Projet TPIV - 2 volumes Projet TPIV-champs de vitesse 3D3C
8 images de 4 caméras aux temps t et t+dt 2 volumes t et t+dt 1 champ de vitesse 3D3C

Figure 1 : Analyse d'un échantillon

Projet TPIV - image 2

Figure 2 : courbe d'accélération du code TPIV

Références et publications associées

  • An efficient simultaneous reconstruction technique for tomographic particle image velocimetry C. Atkinson and J. Soria Experiments in Fluids, DOI 10.1007/s00348-009-0728-0, 2009
  • Comparison of algebraic reconstruction and laser sheet scanning for tomography PIV L. Thomas, V. Grulier, P. Braud, B. Tremblais, A. Germaneau, J.C. Dupré, P. Doumalin adn L. David 8th International Symposium on Particle Image Velocimetry,Melbourne, Australia,  25?28 August, 2009
  • Thick and Thin Volume Measurements of a Turbulent Boundary Layer using Tomographic Particle Image Velocimetry C. Atkinson, S. Coudert , J.M. Foucaut , M. Stanislas and J. Soria 8th International Symposium on Particle Image Velocimetry,Melbourne, Australia,  25?28 August, 2009

Acronymes

  • 3D3C: trois Dimensions, trois Composantes
  • ANR VIVE3D: Vélocimétrie Instantanée Volumique pour les Ecoulements Tridimensionnels
  • CORIA: COmplexe de Recherche Interprofessionnel en Aérothermochimie (UMR CNRS 6614)
  • LEA: Laboratoire d'Etudes Aérodynamiques (UMR CNRS 6609)
  • LML: Laboratoire de Mécanique de Lille (UMR CNRS 8107)
  • PIV: Particle Image Velocimetry
  • SPIV: Stereoscopic PIV
  • TPIV: Tomographic PIV