Amélioration des méthodes de calcul de cœurs de réacteurs nucléaires dans APOLLO3 : décomposition de domaine en théorie du transport pour des géométries 2D et 3D avec une accélération non linéaire par la diffusion

This thesis is devoted to the implementation of a domain decomposition method applied to the neutron transport equation. The objective of this work is to access high-fidelity deterministic solutions to properly handle heterogeneities located in nuclear reactor cores, for problems’ size ranging from colorsets of assemblies to large reactor cores configurations in 2D and 3D. The innovative algorithm developed during the thesis intends to optimize the use of parallelism and memory. The approach also aims to minimize the influence of the parallel implementation on the performances. These goals match the needs of APOLLO3 project, developed at CEA and supported by EDF and AREVA, which must be a portable code (no optimization on a specific architecture) in order to achieve best estimate modeling with resources ranging from personal computer to compute cluster available for engineers analyses. The proposed algorithm is a Parallel Multigroup-Block Jacobi one. Each subdomain is considered as a multi-group fixed-source problem with volume-sources (fission) and surface-sources (interface flux between the subdomains). The multi-group problem is solved in each subdomain and a single communication of the interface flux is required at each power iteration. The spectral radius of the resolution algorithm is made similar to the one of a classical resolution algorithm with a nonlinear diffusion acceleration method: the well-known Coarse Mesh Finite Difference. In this way an ideal scalability is achievable when the calculation is parallelized. The memory organization, taking advantage of shared memory parallelism, optimizes the resources by avoiding redundant copies of the data shared between the subdomains. Distributed memory architectures are made available by a hybrid parallel method that combines both paradigms of shared memory parallelism and distributed memory parallelism. For large problems, these architectures provide a greater number of processors and the amount of memory required for high-fidelity modeling. Thus, we have completed several modeling exercises to demonstrate the potential of the method: 2D full core calculation of a large pressurized water reactor and 3D colorsets of assemblies taking into account the constraints of space and energy discretization expected for high-fidelity modeling.Ce travail de thèse est consacré à la mise en œuvre d’une méthode de décomposition de domaine appliquée à l’équation du transport. L’objectif de ce travail est l’accès à des solutions déterministes haute-fidélité permettant de correctement traiter les hétérogénéités des réacteurs nucléaires, pour des problèmes dont la taille varie d’un motif d’assemblage en 3 dimensions jusqu’à celle d’un grand cœur complet en 3D. L’algorithme novateur développé au cours de la thèse vise à optimiser l’utilisation du parallélisme et celle de la mémoire. La démarche adoptée a aussi pour but la diminution de l’influence de l’implémentation parallèle sur les performances. Ces objectifs répondent aux besoins du projet APOLLO3, développé au CEA et soutenu par EDF et AREVA, qui se doit d’être un code portable (pas d’optimisation sur une architecture particulière) permettant de réaliser des modélisations haute-fidélité (best estimate) avec des ressources allant des machines de bureau aux calculateurs disponibles dans les laboratoires d’études. L’algorithme que nous proposons est un algorithme de Jacobi Parallèle par Bloc Multigroupe. Chaque sous domaine est un problème multigroupe à sources fixes ayant des sources volumiques (fission) et surfaciques (données par les flux d’interface entre les sous domaines). Le problème multigroupe est résolu dans chaque sous domaine et une seule communication des flux d’interface est requise par itération de puissance. Le rayon spectral de l’algorithme de résolution est rendu comparable à celui de l’algorithme de résolution classique grâce à une méthode d’accélération non linéaire par la diffusion bien connue nommée Coarse Mesh Finite Difference. De cette manière une scalabilité idéale est atteignable lors de la parallélisation. L’organisation de la mémoire, tirant parti du parallélisme à mémoire partagée, permet d’optimiser les ressources en évitant les copies de données redondantes entre les sous domaines. Les architectures de calcul à mémoire distribuée sont rendues accessibles par un parallélisme hybride qui combine le parallélisme à mémoire partagée et à mémoire distribuée. Pour des problèmes de grande taille, ces architectures permettent d’accéder à un plus grand nombre de processeurs et à la quantité de mémoire nécessaire aux modélisations haute-fidélité. Ainsi, nous avons réalisé plusieurs exercices de modélisation afin de démontrer le potentiel de la réalisation : calcul de cœur et de motifs d’assemblages en 2D et 3D prenant en compte les contraintes de discrétisation spatiales et énergétiques attendues

Détermination des fréquences naturelles de structures submergées par la méthode d'intéractions fluide-structure bidirectionnelle

RÉSUMÉ La présente recherche vise l'évaluation de la viabilité d'utilisation d'une méthode numérique récemment rendue disponible dans un logiciel commercial pour la prédiction du comportement dynamique de roues de turbine hydraulique en fonctionnement au stade de conception. Contrairement aux méthodes de prédiction classiques, cette méthode temporelle intégrant la simulation des interactions fluide-structure permet d'inclure l'effet de l'écoulement, de la turbulence et de la viscosité du fluide agissant sur le comportement dynamique de la roue. À cet égard, une prédiction plus juste permet d'assurer une fiabilité accrue de cette composante essentielle à la génération d'hydroélectricité. L'objectif principal de la recherche est la validation de la méthode numérique proposée pour la prédiction du comportement dynamique de structures submergées. Cette méthode fait intervenir deux solveurs distincts. Le premier résout le système associé au domaine structurel et le second, le système associé au domaine fluide. La résolution est réalisée de façon séquentielle et le transfert de données d'échange assure le couplage. Pour valider cette façon de faire, une méthodologie est d'abord développée à partir des fonctions logicielles disponibles. Dans un premier temps, celle-ci est appliquée à des cas test faisant intervenir des structures submergées dans l'eau stagnante dont les fréquences naturelles sont connues pour fin de validation. Aucun écoulement moyen n'est donc impliqué. Aussi, leur géométrie est simple et permet une mise en oeuvre relativement aisée. Par la suite, la méthodologie est appliquée à la prédiction des fréquences naturelles d'une roue de turbine en fonctionnement. Ce cas de figure intègre les effets associés à l'écoulement. La méthode numérique utilisée permet de réaliser des simulations temporelles exclusivement. La méthodologie envisagée est donc restreinte à cette contrainte. Concernant les cas test en eau stagnante, un déplacement initial est imposé à la structure puis elle est libre de vibrer dans le fluide. L'analyse du déplacement d'un point attaché à la structure en vibration libre dont l'amplitude est significative permet de déduire les fréquences naturelles des modes excités. Cette analyse consiste en l'ajustement d'un modèle simple de sinusoïdes amorties au signal brut provenant du logiciel. Les fréquences naturelles sont des paramètres directement déterminés lors de l'ajustement.----------ABSTRACT This research aims to assess the viability of using a numerical method recently made available in commercial software for the prediction the dynamic behaviour of hydraulic turbine runners in operation at design stage. Unlike conventional prediction methods, this temporal method integrating the simulation fluid-structure interactions can take into account the effect of the surrounding flow, turbulence and fluid viscosity acting on the dynamic behaviour of the runner. In this regard, a more accurate prediction ensures the increasing of reliability of this essential component for the hydraulic power generation. The main goal of this research is the validation of the numerical method proposed for the prediction of the dynamic behaviour of submerged structures. This method involves two separate solvers. The first one solves the system associated with structural portion and the second solves the fluid portion. The resolution is achieved sequentially by transferring exchange data ensuring the coupling. To validate this approach, a methodology is first developed from the software available features. The first step is to apply the methodology to test cases whose submerged natural frequencies are known for validation purpose. The vibration of these simple systems is carried out in still water, no mean flow is therefore involved. Also, their geometry is simple and can be modelled relatively easily. Subsequently, the methodology is applied for the prediction of natural frequencies of a turbine runner under operation conditions. This simulation incorporates the effects associated with the flow. The numerical method used allows to perform time-dependant simulations only. The proposed methodology is then limited to this constraint. For the test cases in still water, an initial displacement is imposed on the structure and it is to vibrate freely in the fluid. The analysis of displacement of a point attached to the structure whose amplitude is significant allows to deduce the natural frequencies of the modes involved in the resulting free vibration. This analysis consists in the best fitting a simple model of damped sinusoids to the raw signal provided by the software. The natural frequencies are parameters directly determined during the best fit. The first validation test case considered is an infinitely long and rigid cylinder vibrating in a translation degree of freedom through an annular space filled with water. This case possesses a theoretical solution from the potential theory for validation purpose. By its nature, the geometry can be reduced to a two-dimensional modelling and allows the use of relatively small mesh sizes vi