CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R

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CALCIUM l'outil de couplage de codes de EDF-RD

• Jean-Yves Berthou
• EDF
• Division Recherche et Développement

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Plan

• Le couplage de codes
• Un outil logiciel pour le couplage de codes ?
• CALCIUM l'outil de couplage de codes de EDF-RD
• Les utilisations et utilisateurs de CALCIUM
• Conclusions et perspectives

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Le couplage de codes

• Besoins croissants en modélisation de phénomènes
  couplés
• Prévision climatique (Météo-France)
• Plasmas (CEA-DAM)
• Fonctionnement des centrales (Framatome, CEA,
  IPSN, EDF)
• Conception de turbines (SNECMA)
• Migrations (pollution ou dépollution) de
  polluants réactifs
• Simulation de fours verriers
• Diffusion de la pollution atmosphérique ...

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Le couplage de codes

• Riche patrimoine de codes disciplinaires
• Thermo-mécanique 3D ASTER(EDF), CASTEM(CEA)
• Thermohydraulique 3D N3S (EDF), THYC (EDF),
  TRIO_U(CEA), FLICA (CEA)
• Electromagnétisme 3D TRIFOU (EDF),
  FLUX3D(CEDRAT)
• Diffusion neutronique 3D COCCINELLE (EDF),
  CRONOS (CEA)
• Réseaux électriques EUROSTAG (EDF)
• Fonctionnement des centrales LEGO(ENEL),
  CATHARE (CEA-EDF-FRA)

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Le couplage de codes

• Différents types de couplage
• monophysique, multidomaine (couplage par les
  conditions limites)
• multiphysique, monodomaine (couplage par les
  termes sources)
• Systèmes multi-échelles
• Intensité du couplage
• couplage faible la réaction est négligeable
• enchaînement de codes exécutions successives
• couplage fort la réaction nest pas négligeable
• couplage de codes exécutions simultanées,
  communication, synchronisation

action
Modèle 1
Modèle 2
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Le couplage de codes
En l'absence de couplage X(a1,b1,x) 0 - a1,
b1, paramètres connus - x inconnue Y(a2,b2,y)
0 - a2,b2 paramètres connus - y
inconnue Il y a couplage lorsque b1 dépend de y
b1 f(y) b2 dépend de x b2f(x)
x
b2
b1
y
Y
X
a1
a2
Conclusion ECHANGE DE DONNEES entre codes
nécessaire
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Un outil logiciel pour le couplage de codes ?

• En labsence doutils pour le couplage de codes,
  plusieurs approches possibles
• 1. Implanter ex nihilo le phénomène couplé
• Complexe du point de vue physique, numérique,
  informatique risques déchec élevés
• Simplification potentielle de certains effets
  intervenant dans le système couplé
• On ne réutilise pas le patrimoine de codes
  développés depuis 30 à 40 ans

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Un outil logiciel pour le couplage de codes ?

• 2. Fusion de codes
• Difficile chaque code a sa propre logique de
  développement, de maintenance corrective/évolutive
  
• Perte dindépendance des codes
• Multiplication potentielle des versions des
  codes intervenant dans plusieurs systèmes couplés
• gt Nécessité dun coupleur

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Un outil logiciel pour le couplage de codes ?

• PROBLEME
• Maitriser la complexité de la mise en œuvre du
  couplage
• Réutiliser les codes existants pour les coupler à
  limage des processus physiques
• Intervenir peu dans les codes
• Préserver lindépendance des équipes de
  développement
• SOLUTION Utiliser un outil intermédiaire appelé
  COUPLEUR DE CODES qui prend en charge les
  échanges de données et les synchronisations
• adapté aux codes écrits en FORTRAN ou en C
• portable sur de nombreuses plates-formes
  matérielles
• permettant les couplages distribués en réseau
• exploitant le parallélisme éventuel du couplage
• COUPLEUR DE CODES EDF CALCIUM

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CALCIUM l'outil de couplage de codes de EDF-RD

• Un outil CALCIUM (responsabilité MMN)
• - Calcium V1 depuis décembre 93
• - Calcium V2 en exploitation depuis juin 1996
• - Outil rodé, fiable, sous AQ
• - Construit au dessus de PVM
• Un guide utilisateur Calcium
• Batterie dexercices (TPs) et procédure
  dinstallation
• Un site WEB depuis avril 1999 (évaluation
  gratuite) http//www.edf.fr/der/html/produits/lo
  giciels/calcium/accueil.fr.htm
• Un Club utilisateurs le CLUC

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CALCIUM l'outil de couplage de codes de EDF-RD

• Principes de base du couplage avec CALCIUM
• Définir les points dentrée et de sortie de
  chaque code notion de code "COUPABLE"
• Définir une topologie de couplage
  spécification EXTERNE du COUPLAGE

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CALCIUM l'outil de couplage de codes de EDF-RD
Un programmeur intègre son code dans
lenvironnement Calcium
Tâche construire linterface de couplage du code
Thermix
Temperature
puissance
Une autre personne peut développer une
application en couplant des codes intégrés dans
Calcium
Tâche créer un circuit de codes interconnectés
Temperature
Puissance
PuissNeutro
Tempcoeur
Thermix
neutronix
machine2
machine1
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CALCIUM l'outil de couplage de codes de EDF-RD

• Définir une topologie de couplage dans un fichier
  de couplage à laide des commandes CALCIUM
• Déclaration des codes et de leurs variables
  produites et consommées
• Déclaration des instances des codes et
  définition de la machine virtuelle
• Déclaration des liens entre variables des
  instances

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CALCIUM l'outil de couplage de codes de EDF-RD
CODE Neutronix Tempcoeur T IN REEL
PuissNeutro T OUT REEL CODE Thermix Puissance
T IN REEL Temperature T OUT REEL INSTANCE
Neutron CODE Neutronix EXEC
start_Neutron INSTANCE HeatFlow CODE Thermix
EXEC start_heat LIEN Neutron.PuissNeutro gt
HeatFlow.Puissance HeatFlow.Temperature gt
Neutron.Tempcoeur
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CALCIUM l'outil de couplage de codes de EDF-RD
Intégrer les points de connexion dans les codes

• VARIABLES ECHANGEES modélisées par des POINTS DE
  CONNEXION
• POINTS DE CONNEXION nommés, typés,
  directionnels
• VALEURS des variables sont ESTAMPILLEES en
  fonction du TEMPS ou dun numéro dITERATION

Program Thermix ... C Beginning of temporal
loop C import values of variable Puissance to
process time step (ti, tf) CALL cplre(CP_TEMPS,
ti, tf, i, "Puissance", nmax, nval, P,
info) ... C some computation ... C export
Temperature just computed variables at time tf
CALL cpere(CP_TEMPS, tf, i, "Temperature", nval,
temp, info) C end of loop ...
Puissance (u), REEL ti ltulttf
deplacement (i1), REEL
CODE C
Temperature (tf), REEL
force (i), REEL
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CALCIUM l'outil de couplage de codes de EDF-RD

• Importation de données et interpolation
  temporelle
• CALL cplre(CP_TEMPS, ti, tf, i, "Puissance",nmax,
  nval, P, info)
• Selon configuration du fichier de couplage,
  lecture de Puissance en
• ti,
• tf,
• ou (deltatf (1-delta)ti)

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CALCIUM l'outil de couplage de codes de EDF-RD
Ecriture de PuissNeutro(t)
Ecriture de PuissNeutro(t1)
Neutronix
t1
t
x
Thermix
ti
tf
Lecture de Puissance(ti)
Le code Thermix demande la donnée Puissance
produite par le code Neutronix au temps titdt
Puissance(ti) (PuissNeutro(t1)-
PuissNeutro(t))dt PuissNeutro(t)
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CALCIUM l'outil de couplage de codes de EDF-RD

• La bibliothèque de couplage
• CONNEXION/DECONNEXION au coupleur
• EXPORT/IMPORT
• EFFACEMENT
• INTERROGATION
• CONFIGURATION DYNAMIQUE
• OPTIONS
• CONTRÔLE

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CALCIUM l'outil de couplage de codes de EDF-RD
Exécution du couplage
import/export de variables par passage de
messages PVM
Neutronix
Thermix
librarie Calcium
commandes Calcium
trace
coupleur
votre application
Calcium
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CALCIUM l'outil de couplage de codes de EDF-RD

• Résumé des fonctionnalités de CALCIUM
• Lecture/écriture de données de codes à codes,
• Prise en compte des pas de temps distincts entre
  codes couplés et interpolation temporelle
  implicite des données lues,
• Mode debugging (mode pas à pas, retour arrière,
  ...),
• Détection des blocages mortels entre codes
  couplés (deadlock) et gestion de ces blocages,
• Gestion dynamique de larchitecture du couplage,
• Gestion de la machine virtuelle

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CALCIUM l'outil de couplage de codes de EDF-RD

• CALCIUM ne résout pas le problème du choix de la
  méthode numérique de couplage
• méthode explicite, implicite, semi-implicite,
  prédicteur-correcteur, pas fractionnaires, ...
• pas de temps identiques ou différents
• CALCIUM favorise lutilisation de méthodes à
  caractère explicite
• méthodes explicites à pas de temps différents
• méthodes semi-implicites à pas de temps
  identiques
• CALCIUM fournit le moyen de mettre en oeuvre des
  méthodes implicites

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Les utilisations et utilisateurs de CALCIUM
Calcium un logiciel bien implanté !
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Les utilisations et utilisateurs de CALCIUM

• SNECMA
• ONERA
• TURBOMECA
• DGA
• CNUSC
• Danone Emballage
• Simulog
• Ecole Centrale de Lyon
• Météo France, LODYC-Université de Paris VI,
  CERFACS
• Division Recherche et Développement du Pôle
  Industrie de EDF (RNE/PhR, AEE/LNH, AEE/ADEI,
  EP/AMV, EP/MSP, RNE/MTC, ER/FCR, EP/CCC)
• Direction de léquipement de EDF (CNEH, SEPTEN)

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Les utilisations et utilisateurs de CALCIUM

• Le projet ARCAE
• SNECMA-ONERA-TURBOMECA-DGA
• Code couplés MSD/MATHILDA (ONERA), ABAQUS
  (Hibbitt, Karlsson Sorensen, Inc,
  www.hks.com.), CANARI (ONERA)
• Acteurs ONERA et SNECMA développeurs et
  utilisateurs
• Etat actuel développements en cours
• Objectifs simulation globale des aubages de
  turbines refroidies afin de mieux prédire la
  température dans le solide et donc leur durée de
  vie.

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Les utilisations et utilisateurs de CALCIUM

• Le couplage MERCURE-ESTET
• Codes couplés MERCURE et ESTET
• Acteurs EDF-RD/AEE/ENV développeurs et
  utilisateurs
• Etat actuel développements en cours
• Objectifs Modélisation de l'impact de la
  pollution atmosphérique extérieure sur la qualité
  de l'air dans l'enceinte d'un bâtiment ou dun
  ensemble de bâtiments.

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Les utilisations et utilisateurs de CALCIUM

• Le projet CADYAC
• Codes couplés CADYRO (EDF-RD/EP/AMV) et EDYOS
  (EDF-RD/EP/MSP)
• Acteurs EDF-RD/EP/AMV, EDF-RD/EP/MSP, société
  XANTH
• Etat actuel développement et exploitation
• Objectifs Etude du comportement des pompes et
  des groupes turboalternateurs équipant les
  organes de production de lélectricité, en régime
  normal ou en présence d'anomalies (perte
  d'ailette, fissures, frottement, ...)

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Les utilisations et utilisateurs de CALCIUM

• Le projet OCCER
• Codes couplés CATHARE (CEA/DRN), THYC,
  COCCINELLE (EDF-RD/RNE/PhR)
• Acteurs EDF-RD/RNE/PhR développeur, DE/SEPTEN
  et EDF-RD/RNE/PhR utilisateurs
• Etat actuel développement et exploitation
• Objectifs Le couplage permet d'évaluer plus
  précisément l'évolution de la puissance dégagée
  par le coeur au cours d'un accident hypothétique
  tel que celui de Rupture de Tuyauterie Vapeur.

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Les utilisations et utilisateurs de CALCIUM
CATHARE
conditions limites coeur
puissance totale coeur
température du fluide température des
crayons masse volumique fluide
THYC
COCCINELLE
distribution de puissance
29
Les utilisations et utilisateurs de CALCIUM
30
Les utilisations et utilisateurs de CALCIUM
Exemple dapplication RTV 1300 MW
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Les utilisations et utilisateurs de CALCIUM

• Le couplage SUBIEF-CHESS
• Codes couplés SUBIEF (EDF-RD/AEE/LNH), CHESS
  (Ecole des Mines de Paris)
• Acteurs EDF-RD/AEE/LNH et Ecole des Mines de
  Paris développeurs, EDF-RD/AEE/LNH utilisateur
• Etat actuel développement et exploitation
• Objectif étude de migrations (pollution ou
  dépollution) de polluants réactifs dans le sol ou
  les nappes phréatique et prédiction de
  laltération chimique à long terme de certains
  matériaux constitutifs d'installations
  industrielles (liants hydrauliques, verres,
  métaux) par le lessivage des eaux souterraines

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Les utilisations et utilisateurs de CALCIUM

• LE COUPLAGE ESTET SYRTHES N3S
• ACTEURS AEE/LNH développeur et utilisateur
• OBJECTIFS
• MODELISATION DES CHAMPS THERMIQUES POUR DES
  CABLES ENTERRES
• PRINCIPE
• REUTILISER ET COUPLER DES CODES EXISTANTS
  DISCIPLINAIRES
• un code de thermique solide éléments finis
  SYRTHES
• un code de mécanique des fluides volumes finis
  struturés ESTET
• un code de mécanique des fluides volumes finis
  non-struturés N3S
• GEOMETRIE
• RESULTATS cf. figures

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Les utilisations et utilisateurs de CALCIUM

• COUPLAGE ESTET ESTET
• ACTEURS AEE/LNHAEE/ADEI développeur, AEE/ADEI
  utilisateur
• OBJECTIF
• Modélisation du chauffage de bains métalliques
  par une torche à plasma
• PRINCIPE
• Coupler un code avec lui-même
• un code de mécanique des fluides volumes finis
  ESTET
• RESULTATS cf. figures

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Les utilisations et utilisateurs de CALCIUM LE

• COUPLAGE LIDO-BELIER
• ACTEURS DE/CNEH
• OBJECTIF
• évaluer limpact de la fermeture dune usine
  hydro-électrique sur le canal damenée
• PRINCIPE
• Couplage écoulement à surface libre/écoulement en
  charge
• RESULTATS cf. figures

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Conclusions et perspectives

• Un cas particulier de réutilisation de composants
• réutilisation de codes existants avec peu de
  modifications
• définition dune interface de couplage et
  assemblage selon le principe des composants
  électriques
• Avantages
• Permet la modélisation de systèmes couplés
• Facilité dintégration dapplications existantes
  dans lenvironnement CALCIUM
• CALCIUM nintroduit pas de dépendances fortes
  entre applications
• Utilisation de la puissance de calcul disponible
  en réseau
• Une solution pour la mise en œuvre de calculs
  distribués

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Conclusions et perspectives

• 4 chantiers logiciels
• 1. Un modèle de données pour le couplage de codes
• Quel modèle de données ?
• Quels traitements doivent être attachés à ces
  données ?
• Quelle implantation de ce modèle de données et de
  ces traitements ?
• Base de travail
• Groupe de travail MED EDF-RD et CEA/DRN
• Stage de DEA été 1999 et thèse initiée en
  11/1999
• Partenaire potentiel opération ELAN de CEA/DRN

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Conclusions et perspectives

• 2. Une Interface Homme-Machine pour CALCIUM
• Quelles fonctionnalités
• Description graphique de larchitecture du
  couplage
• Génération automatiquement du fichier de couplage
• Gestion dune base de données de topologies de
  couplages
• Visualisation graphique de la trace des couplages
• Partenariat potentiel département PhR de EDF-RD

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Conclusions et perspectives

• 3. Les communications un goulot qui peut être
  résorbé
• Deux modes de fonctionnement
• Mode mise au point fonctionnement actuel
• Mode de production les instances gérent leurs
  communications
• Version MPI envisageable
• Partenariat potentiel SNECMA

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Conclusions et perspectives

• 4. Réunification CALCIUM/ISAS
• Objectifs
• mutualiser les développements menés sur nos
  outils de couplage
• permettre le couplage entre codes de la DRN et
  codes de EDF-RD
• Contraintes
• conserver les qualités et fonctionnalités de
  CALCIUM et ISAS
• compatibilité ascendante totale entre
  CALCIUM/ISAS et les deux coupleurs.
• Etat actuel étude de faisabilité
• Partenariat potentiel collaboration EDF/CEA