Projet Sinerghy

Simulation Numérique pour la Recherche en Rayonnement, Gravitation et Hydrodynamique

Ce projet vise à satisfaire les besoins communs, en matière de simulation numérique, des communautés scientifiques de l’ Astrophysique et de la Fusion Inertielle par Laser. En effet, l’activité de recherche de ces communautés repose très largement sur la simulation numérique d’écoulements complexes, instationnaires, couplés au transport de particules hors équilibre thermodynamique et, ou, à une cinétique chimique. Les rapports d’échelle entre les temps fluides et les temps caractéristiques du transport font qu’il est le plus souvent nécessaire de recourir, dans les codes de calcul, à des méthodes implicites. C’est en particulier le cas pour le transport électronique et le transfert radiatif. L’ouverture à la recherche académique des grands instruments expérimentaux, comme le laser LIL, est récente. Elle renforce cette convergence thématique, ainsi que la nécessité de disposer d’outils numériques partagés. C’est dans ce sens que ce projet est rattaché aux groupes « Simulation » et « Fusion Inertielle » de l’ Institut Laser et Plasmas.             Les codes de calcul développés dans les laboratoires coopérant à ce projet arrivent à présent à maturité, mais leur exploitation à grande échelle pose des problèmes dont la résolution dépasse les capacités, considérées isolément, de ces laboratoires, et appellent de ce fait une action concertée. Ces problèmes concernent : -   l’analyse numérique, avec la mise au point de schémas tridimensionnels pour l’hydrodynamique des gaz réels et multi-matériaux. l’algorithmique massivement parallèle, et en particulier, celle mise en œuvre pour la résolution implicite des équations de transport.
La gestion et la visualisation des très importantes masses de résultats produites par ces codes.

La réalisation d’une bibliothèque partagée  pour les coefficients de transport, équations d’état, taux de réactions nucléaires et chimiques et l’accès performant à ces données à partir d’applications parallèles.

La gestion des codes, avec pour objectifs

o      La réalisation de bases partagées de cas de validation

o      La pérennité dans les temps de ces logiciels

o      L’interopérabilité : échange de données, chaînage des codes, partage de modules

Contexte scientifique et motivation du projet
La physique des plasmas et l’astrophysique ont de tout temps été des disciplines voisines. En particulier, l’étude du milieu interstellaire, la compréhension de la physique des supernovae reposent sur une problématique et une approche théorique comparable à celles de la Fusion Inertielle par laser. La simulation numérique a dans les deux disciplines une place essentielle. La réalisation prochaine de grands moyens expérimentaux, comme le Laser MégaJoule, ainsi que l’arrivée en France de calculateurs à plusieurs milliers de processeurs renforcent cette convergence.

  La mise en œuvre prochaine du Laser Méga Joule ouvre une perspective unique pour la production d’énergie par fusion thermonucléaire, puisque cette installation permettra pour la première fois d’obtenir davantage d’énergie thermonucléaire que d’énergie laser investie dans la cible. Le dimensionnement de cibles à gain est, pour le CELIA, un objectif prioritaire. L’atteinte de cette objectif implique la maîtrise complète de l’hydrodynamique des cibles, et, en particulier, celle des instabilités hydrodynamiques et du transport électronique. Un point clé de la maîtrise des instabilités est la compréhension de leur évolution en régime non linéaire et de leur saturation. Cette étude suppose la réalisation de simulations numériques tridimensionnelles d’implosions de cibles comportant une modélisation réaliste de leur spectre initial de défauts. Plusieurs dizaines ou centaines de millions de mailles sont alors nécessaires. Ces simulations, qui doivent coupler hydrodynamique, transport électronique, transport radiatif et propagation laser, doivent recourir massivement au calcul parallèle. Le transport électronique dans les plasmas créés par laser est un problème ancien, et mal compris . Sa maîtrise est cruciale puisque le flux de chaleur électronique est le mécanisme essentiel de la conversion de l’énergie laser en énergie cinétique. Un code de transport multidimensionnel avec champs magnétiques et électriques auto consistants est en cours d’écriture, au moyen d’une collaboration entre le CELIA, le MAB, et l’université de Toulouse.

L’exploitation et le dépouillement d’un tel code posent des problèmes comparables, puisqu’il faut ici mailler un espace à six dimensions.

  Du point de vue de l’astrophysique, le développement d’observations de plus en plus fines imposent d’inclure dans les modèles numériques une physique complexe (hydrodynamique, conduction et transfert, thermo-chimie…) seule à même d’expliquer les phénomènes observés. De plus, l’apparition de grands moyens nationaux dévolus à l’expérimentation, tels que LULI2000, la LIL, et bientôt le LMJ, donne un élan nouveau à l’astrophysique de laboratoire. Il s’agit de simuler, en exploitant les similitudes de la physique, des mécanismes élémentaires des objets astrophysiques, tels que les chocs radiatifs ou les explosions d’enveloppe de supernovae. La mesure de coefficients de transport, d’équations d’état, thème partagé avec la FCI, est également accessible au moyen de ces instruments. La conception, et l’analyse des expériences correspondantes nécessitent le même type d’outils numériques que ceux qui sont nécessaires à la FCI.

L’astrophysique et la FCI font donc face a des problématiques communes :

-        l’intégration d’une physique toujours plus complexe dans des codes d’hydrodynamique bi ou tridimensionnels.

-        La réalisation et le dépouillement d’expériences dédiées auprès des lasers.

-        L’exploitation et l’analyse de simulations multidimensionnelles de très grande échelle

            Notre projet vise à réunir une équipe pluridisciplinaire, incluant numériciens, physiciens et informaticiens, avec pour objectifs :

-        développement d’algorithmes parallèles pour l’hydrodynamique et le transport en plusieurs dimensions.

-        Réalisation de solveurs numériques partagés.

-        Réalisation d’outils de stockage des données de calcul et de visualisation.

-        Réalisation d’une bibliothèque partagée permettant d’inclure de manière performante les modèles de matières (équation d’états, opacités, coefficient de transport…) dans les codes d’hydrodynamiques.  

 Retombées scientifiques et techniques attendues

Les élements délivrables sont les suivants :

-        bibliothèque de résolution implicite de systèmes d’équations linéaires parallèles

o      2D structuré

o      2D non structuré

o      3D non structuré

-        Bibliothèque parallèle partagée pour l’exploitation de la physique atomique dans les codes hydrodynamiques

-        Développement de méthodes aux moments pour le transport. En particulier, on étudiera une méthode M1 multi-groupes pour le transport radiatif en 3D.

-        Réalisation d’outils graphiques pour l’exploitation des différents codes.

-        Réalisation d’un code d’hydrodynamique monodimensionnel destiné à

o      Développement et couplage de modèles physiques (« laboratoire numérique »)

o      Production de solutions de référence en 1D

o      Enseignement.

-        Schémas numériques pour l’hydrodynamique 3D multi-matériaux

o      Schéma lagrangien 3D

o      Reconstruction d’interfaces 2D/3D pour extensions Euler ou ALE