Recrutement

Contexte général
La méthode de Boltzmann sur réseaux (Lattice Boltzmann Method – LBM) [1] est une méthode numérique qui permet de simuler des problèmes physiques modélisés par des équations aux dérivées partielles telles que celles impliquées dans la croissance des cristaux, les équations fractionnaires et les écoulements de fluide. La base de la méthode consiste à réaliser une étape de collision suivie d’une étape de déplacement d’une fonction de distribution sur un maillage cartésien régulier. La méthode a été mise en oeuvre dans un code de calcul développé au CEA et écrit en C++ : LBM_saclay [2]. Ce dernier est dédié à la simulation d’écoulements diphasiques avec ou sans changement de phase liquide-gaz et exécutable sur différentes architectures matérielles (multi-CPUs et multi-GPUs) [3]. Le sujet de stage vise à enrichir la base de cas tests de LBM_saclay en étudiant une nouvelle application physique impliquant des écoulements diphasiques.

Objectifs du stage
Le sujet du stage consiste à mettre en oeuvre dans LBM_saclay une approche « pseudo-potentielle » pour simuler des écoulements diphasiques. Le travail pourra s’appuyer sur la littérature existante sur le sujet [4]. Cette approche sera comparée avec un modèle déjà implémenté dans LBM_saclay et composé des équations de Navier-Stokes incompressibles, couplées à l’équation de Allen-Cahn pour le suivi de l’interface entre les deux phases. Les simulations comparatives pourront se réaliser sur des cas tests classiques dans ce domaine : instabilités de Rayleigh-Taylor ou coalescence de bulles. Des comparaisons des temps de calcul sur les différents clusters de calculs accessibles au CEA seront effectuées entre les plateformes GPUs et CPUs (supercalculateur Jean-Zay de l’IDRIS et IRENEV100 du CCRT). Selon l’état d’avancement du stage, différentes directions de travail pourront être envisagées : 1) extension au 3D ou 2) test d’un opérateur de collision alternatif.

Environnement de travail
Le stage s’effectuera au sein du laboratoire LMSF du Service de Thermo-Hydraulique et Mécanique des Fluides (STMF) du CEA–Saclay qui regroupe des compétences sur les aspects LBM et les modèles à champ de phase. Ce travail se réalisera en collaboration avec un laboratoire de l’Inria qui possède les compétences sur l’approche pseudo-potentielle du sujet. La durée recommandée pour ce travail est de 5 à 6 mois pour un début effectif au CEA–Saclay au premier trimestre 2023. Le profil requis est celui d’un Mastère 2 ou d’une dernière année d’école d’ingénieur ayant un goût prononcé pour le calcul scientifique, la modélisation physique et la programmation en C++.

Directions de travail
— Compréhension du modèle physique de suivi d’interface, de la méthode LB et prise en main du code de calcul.
— Développements informatiques en C++.
— Vérifications et validations ; simulations et discussion.
— Rédaction du rapport et présentation orale des résultats.

Mots clés
Lattice Boltzmann Method, Navier-Stokes, modèle à champ de phase, LBM_saclay , C++.

Références
[1] T. Krüger, H. Kusumaatmaja, A. Kuzmin, O. Shardt, G. Silva, E. Viggen, The Lattice Boltzmann Method. Principles and Practice, Springer, 2017. doi:10.1007/978-3-319-44649-3.
[2] W. Verdier, T. Boutin, P. Kestener, A. Cartalade, LBM_saclay : application HPC multi-architectures sur base LBM. Guide du développeur, Tech. rep., CEA-Saclay, DES/ISAS/DM2S/STMF/LMSF/NT/2022-70869/A (2022).
[3] W. Verdier, P. Kestener, A. Cartalade, Performance portability of lattice Boltzmann methods for two-phase flows with phase change, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 370 (2020) 113266. doi:10.1016/j.cma.2020.113266.
[4] F. Qin, A. M. Moqaddam, L. Del Carro, Q. Kang, T. Brunschwiler, D. Derome, J. Carmeliet, Tricoupled hybrid lattice Boltzmann model for nonisothermal drying of colloidal suspensions in micropore structures, Physical Review E 99 (5) (2019) 053306.

Contexte général
L’université Gustave Eiffel s’intéresse à la fusion de deux innovations développées en son sein : la chaussée urbaine démontable (CUD) et le système hybride SunRoad de collecte d’énergie solaire.
La CUD est une chaussée constituée de dalles de béton non armées de forme hexagonale encastrée les unes dans les autres par un système de languettes et reposant sur une plateforme traitée au ciment, mais restant facilement excavable (voir cud.ifsttar.fr). L’aspect démontable (et remontable) des CUD permet un accès facile aux réseaux sous-jacents pour leur maintenance tout en maintenant l’esthétique des chaussées du fait de l’absence de tranchées apparentes en surface et évitant le gâchis de matériau. La faisabilité de ce genre de chaussée a été démontrée sur 2 chantiers expérimentaux dont l’un se trouve sur Nantes et un récent essai sur le manège de fatigue de l’université. Un nouveau démonstrateur composé d’une nouvelle version des dalles a, par ailleurs, été construit en juin 2022, rue de l’Allier à Nantes et fait actuellement l’objet d’un suivi de son comportement.
Le système de récupération d’énergie solaire SunRoad vise à transformer les rayonnements solaires (photovoltaïques et thermiques) en énergie par l’intermédiaire d’un système multicouche composé
d’une couche semi-transparente laissant passer la lumière, d’une couche de cellules photovoltaïques et d’une couche poreuse parcourue par un fluide caloporteur et jouant le rôle d’échangeur de chaleur.
Ce système hybride fait actuellement l’objet de développements en matière d’efficacité énergétique et mécanique. L’évaluation énergétique d’un démonstrateur construit sur le campus nantais de l’université est en cours.
Un premier projet exploratoire RA2RUP financé par l’I-site Future a permis d’étudier numériquement une première solution consistant en un fluide caloporteur circulant dans des tuyaux parcourant les dalles CUD en béton plein (sans couche photovoltaïque ni semi-transparente).

Objectifs du stage
Le sujet de ce stage est principalement numérique. L’objectif du stage est de dimensionner énergétiquement, hydrauliquement (et mécaniquement, si le temps le permet) des dalles incorporant une couche poreuse permettant la circulation d’un fluide caloporteur. Les dalles, et les couches poreuses seront connectées par des tuyaux sortant sur les faces latérales des dalles CUD. Dans un premier temps, les dalles seront constituées de béton uniquement (sans couche photovoltaïque ni semi-transparente). L’accent sera mis sur l’efficacité énergétique et la circulation du fluide. Des perméabilités variables, des tailles de granulats variables, des diamètres de tuyaux de connexion différents ou encore des cheminements de fluide variables seront à étudier et comparer. La question de la tenue mécanique sera également abordée, mais un premier dimensionnement déjà réalisé servira de base de travail.

Simulations numériques
Ce dimensionnement hydraulique sera basé sur une méthode de calcul Lattice Boltzmann (LBM) implémentée dans un solveur 3D « in-house ». Ce type de méthode étant originale et très adaptée à la mécanique des fluides dans des géométries complexes comme celles des milieux poreux. L’un des principaux travaux sera d’établir des conditions aux limites (géométrie et schéma numérique) du problème physique.
Les travaux effectués permettront d’étudier la faisabilité du couplage CUD/chaussée solaire et permettront d’étendre les fonctionnalités des CUDs. Ils participeront donc à la dissémination de cette nouvelle famille de chaussée très prometteuse.

Organisation
Le stagiaire se devra d’être le plus autonome possible. C’est Romain Noël qui sera chargé de l’encadrement pour la partie hydraulique et thermique. Éric Gennesseaux assurera le suivi de l’étude pour les aspects matériau béton, construction et prototypage le cas échéant.

Acquis préalables
Le stagiaire devra avoir une bonne maîtrise des méthodes numériques et de l’utilisation d’un code aux éléments finis ou LBM serait un avantage. De plus, des compétences en mécanique des fluides thermiques seraient également souhaitées.
Le stagiaire devra faire preuve d’une bonne capacité à travailler en équipe, d’autonomie et il devra être force de proposition quand il s’agira d’aider à résoudre des problèmes.
Le stagiaire devra bien entendu être capable d’exposer clairement ses résultats lors des réunions et pour la rédaction de son rapport de stage.

De plus, à l’issue de ce stage une poursuite en thèse pourra être envisagée sur l’impact d’une solution de ce type à l’échelle d’une rue sur son aéraulique et confort thermique.

Durée du stage
6 mois au laboratoire SII/COSYS/UGE (Bouguenais)