Parallélisation de simulations interactives de champs ultrasonores pour le contrôle non destructif

The Non Destructive Testing field increasingly uses simulation.It is used at every step of the whole control process of an industrial part, from speeding up control development to helping experts understand results. During this thesis, a simulation tool dedicated to the fast computation of an ultrasonic field radiated by a phase array probe in an isotropic specimen has been developped. Its performance enables an interactive usage. To benefit from the commonly available parallel architectures, a regular model (aimed at removing divergent branching) derived from the generic CIVA model has been developped. First, a reference implementation was developped to validate this model against CIVA results, and to analyze its performance behaviour before optimization. The resulting code has been optimized for three kinds of parallel architectures commonly available in workstations: general purpose processors (GPP), manycore coprocessors (Intel MIC) and graphics processing units (nVidia GPU). On the GPP and the MIC, the algorithm was reorganized and implemented to benefit from both parallelism levels, multhreading and vector instructions. On the GPU, the multiple steps of field computing have been divided in multiple successive CUDA kernels.Moreover, libraries dedicated to each architecture were used to speedup Fast Fourier Transforms, Intel MKL on GPP and MIC and nVidia cuFFT on GPU. Performance and hardware adequation of the produced algorithms were thoroughly studied for each architecture. On multiple realistic control configurations, interactive performance was reached. Perspectives to adress more complex configurations were drawn. Finally, the integration and the industrialization of this code in the commercial NDT plateform CIVA is discussed.La simulation est de plus en plus utilisée dans le domaine industriel du Contrôle Non Destructif. Elle est employée tout au long du processus de contrôle, que ce soit pour en accélérer la mise au point ou en comprendre les résultats. Les travaux menés au cours de cette thèse présentent une méthode de calcul rapide de champ ultrasonore rayonné par un capteur multi-éléments dans une pièce isotrope, permettant un usage interactif des simulations. Afin de tirer parti des architectures parallèles communément disponibles, un modèle régulier (qui limite au maximum les branchements divergents) dérivé du modèle générique présent dans la plateforme logicielle CIVA a été mis au point. Une première implémentation de référence a permis de le valider par rapport aux résultats CIVA et d'analyser son comportement en termes de performances. Le code a ensuite été porté et optimisé sur trois classes d'architectures parallèles aujourd'hui disponibles dans les stations de calcul : le processeur généraliste central (GPP), le coprocesseur manycore (Intel MIC) et la carte graphique (nVidia GPU). Concernant le processeur généraliste et le coprocesseur manycore, l'algorithme a été réorganisé et le code implémenté afin de tirer parti des deux niveaux de parallélisme disponibles, le multithreading et les instructions vectorielles. Sur la carte graphique, les différentes étapes de simulation de champ ont été découpées en une série de noyaux CUDA. Enfin, des bibliothèques de calculs spécifiques à ces architectures, Intel MKL et nVidia cuFFT, ont été utilisées pour effectuer les opérations de Transformées de Fourier Rapides. Les performances et la bonne adéquation des codes produits ont été analysées en détail pour chaque architecture. Dans plusieurs cas, sur des configurations de contrôle réalistes, des performances autorisant l'interactivité ont été atteintes. Des perspectives pour traiter des configurations plus complexes sont dressées. Enfin la problématique de l'industrialisation de ce type de code dans la plateforme logicielle CIVA est étudiée

Modélisation électromagnétique 3D d'inducteurs multibrins - Développement d'une méthode intégrale parallélisée

In order to enable to use high frequencies in the domain of the industrialinductive heating, the use of multi-wires inductors is considered. But, lossesoccurring into that inductors can be important and strongly depend on their complexinternal geometry. To facilitate the design of lossless multi-wires inductors, it isnecessary to under stand their electromagnetic behavior. In this thesis, we presentthe development of a software of parallel computation intended to the 3D electromagneticmodeling of multi-wires inductors. We describe an original method ofbuilding of the geometry of that inductors. This software is based on an integralmethod in which the meshing of spaces between the wires is unnecessary. The useof parallel computing is one of the great forces of this software. The studies werealized show the impact of the geometry on the behavior of that type of inductor.Afin de permettre l’utilisation de hautes fréquences dans le domainedu chauffage par induction industriel, l’emploi d’inducteurs multibrins est envisagé.Or, les pertes occasionnées dans ces inducteurs peuvent être importantes etdépendent fortement de leur géométrie interne qui est complexe. Pour faciliter laconception d’inducteurs multibrins à faibles pertes, il est nécessaire d’en comprendrele comportement électromagnétique. Dans cette thèse, nous présentons ledéveloppement d’un logiciel de calcul parallèle dévolu à la modélisation électromagnétique3D d’inducteurs multibrins. Nous décrivons une méthode originale deconstruction de la géométrie des inducteurs. Ce logiciel est basé sur une méthodenumérique de type intégrale ayant l’avantage de ne pas nécessiter le maillage desespaces entre les brins. L’emploi du calcul parallèle est une des grandes forces de celogiciel. Les études réalisées montrent l’impact de la géométrie sur le comportementde ce type d’inducteur

Développement d'un code de transfert radiatif et de son couplage avec un code LES

Les transferts radiatifs jouent un rôle important dans les chambres de combustion des installations industrielles. En effet, il existe un couplage fort entre la combustion turbulente et le rayonnement. Dans le but d étudier ce couplage, le code Rainier est développé pour les calculs de pertes par rayonnement dans un écoulement réactif dans des géométries complexes. Ce code repose sur des simulations aux grandes échelles (LES) de la combustion turbulente. Il est basé sur les maillages tétraédriques non structurés. Le modèle de rayonnement appliqué à la modélisation des propriétés radiatives des gaz est le modèle CK (Correlated-k). La méthode statistique de Monte-Carlo (ERM) est utilisée pour résoudre l équation de Transfert du Rayonnement (ETR). Le code de rayonnement est parallélisé et il montre une réponse linéaire en fonction du nombre de processeurs très proche de la réponse idéale. Une méthode de couplage de code de rayonnement avec le code de combustion LES est développée. Chacun des codes a sa propre logique d architecture et de développement. En conséquence, le couplage entre les deux domaines d étude est réalisé de telle façon que les échanges des données et les synchronisations entre eux soient assurés. Les résultats obtenus à partir du couplage des sur une chambre de combustion d hélicoptère sont présentés. Nous avons montré que le rayonnement modifie les champs instantanés de température et d espèces à l intérieur de la chambre de combustion.Radiation plays an important role in industrial combustion chambers. In fact, there is a strong coupling between combustion and heat transfer in these turbulence chambers. The Rainier code is developed for the calculation of radiation in a reactive flow within a complex geometry. This code is dedicated to Large Eddy Simulation (LES) of turbulent reactive flows. The code is based on unstructured tetrahedral mesh. The correlated k-distribution method (CK) is applied to the modelling of radiative properties of gases. A statistical method of Monte Carlo (ERM) is used to resolve the Radiation Transfer Equation (RTE). The code is parallelized and it shows a linear response to the number of processors, which is very close to the ideal response. A coupling method of the Rainier code and the turbulent combustion code LES is implemented. Each code has its own logic architecture and development. For this, the coupling between these two different fields of study is achieved in such a way that the data exchange and synchronization between them is assured. The results obtained by applying the coupled codes to the combustion chamber of helicopter are presented. We have shown that the radiative transfer modifies the temperature and species fields inside the combustion chamber.CHATENAY MALABRY-Ecole centrale (920192301) / SudocSudocFranceF

Plateforme de prototypage virtuel pour la simulation numérique en grandes transformations thermomécaniques rapides

Ce travail concerne le développement d'une plateforme de prototypage virtuel dédiée à la simulation numérique des problèmes en grandes transformations thermomécaniques rapides. Dans ces situations, le matériau est soumis à de grandes déformations, de forts taux de déformations et une forte élévation de température résultant principalement de la déformation plastique. Cette sorte de sollicitations, pouvant être très rapides et fortement non linéaire, est généralement rencontrée lors de simulations numériques de problèmes d'usinage ou d'impact et de crash. Deux voies de recherche sont explorées dans ce travail: la première concerne l'aspect expérimental alors que la seconde se focalise sur le développement du code de calcul éléments finis dynamique DynELA. Concernant l'approche expérimentale, l'objectif principal est de développer un ensemble d'outils (dispositif expérimental et logiciels utilitaires dédiés) dans le but d'identifier les paramètres constitutifs pour divers matériaux soumis à des grandes déformations et de forts taux de déformation. Concernant l'aspect numérique, l'objectif est de développer un code de calcul par éléments finis explicite basé sur une approche de Programmation Orientée-Objets en C++. Ce travail a été réalisé au sein du Laboratoire Génie de Production (LGP) de l'Ecole Nationale d'Ingénieurs de Tarbes (ENIT)

Optimisation de forme multi-objectif sur machines parallèles avec méta-modèles et coupleurs. Application aux chambres de combustion aéronautiques

Les normes drastiques sur les émissions d'espèces polluantes et la volonté de réduire les délais de mise sur le marché incitent les motoristes à repenser les concepts de la nouvelle génération de chambre de combustion ainsi que leurs méthodes de conception. Les codes de simulation numérique des écoulements turbulents réactifs, basés sur une approche de moyenne de Reynolds (RANS), sont utilisés depuis quelques années par les ingénieurs dans les phases de conception des foyer aéronautiques. Leur emploi a permis de réduire les temps et les coûts de conception en diminuant notamment le nombre d'essais expérimentaux. La manière d'utiliser ces outils demeure un point clef pour élaborer des environnements d'aide à la décision performants. Le but de ces travaux de thèse est de fournir une méthodologie basée sur des considérations issues de l'optimisation multi- bjectif pour développer un outil de conception automatisé qui intègre des codes de simulation numérique pour évaluer les configurations. En premier lieu, les études rapportées dans ce manuscrit concernent l'automatisation des procédures de simulation en insistant sur les aspects de génération automatique de maillage. Ensuite, le problème des temps de restitution liés à l'utilisation conjointe de techniques d'optimisation et de codes de calcul coûteux en ressources informatiques est adressé en proposant un algorithme basé sur des méta-modèles. L'outil final est construit à partir d'un coupleur de codes parallèles, lui conférant ainsi des caractéristiques intéressantes de performance et de flexibilité. Finalement, après divers tests de validation et d'évaluation, une application sur une chambre de combustion industrielle montre les capacités de la méthode à identifier des configurations prometteuses. ABSTRACT : Drastic norms on pollutant emissions and the need to reduce times to market encourage aeronautical engine manufacturers to reconsider the concepts of the next generation of combustion chamber as well as their design methodologies. Reactive and turbulent simulation codes based on the RANS approach have been used for a few years by engineers in the design cycle of aeronautical combustion chambers. Their use has allowed to reduce development times and costs mostly by decreasing the number of experimental tests. The way to integrate these tools is still a challenging point when the development of an efficient design framework is considered. The aim of this work is to provide a multiobjective optimization based methodology to develop a fully automated tool that evaluates design with simulation codes. First, the studies presented in this report deal with the automation of the simulation processes while insisting on the automatic mesh generation aspects. Then, to reduce the overall response time caused by the use of optimization technics with expensive simulation codes, a strategy based on metamodeling is proposed. The resulting tool is developed with a parallel code coupler offering performance and flexibility to the application. Finally, after some validations and evaluations on test cases, an application on an industrial combustor underlines the capacities of the mehod to identify promising design

Caractérisation des signatures de décharges partielles en utilisant une nouvelles génération de coupleurs piézoélectriques

Une problématique importante qui affecte la pérennité des transformateurs de puissance est la détérioration progressive et systématique du système d’isolation par l’action des décharges partielles (DP). Idéalement, il est opportun d’employer en service des techniques non destructives pour la détection et le diagnostic des défaillances liées aux systèmes d’isolation, dans le but de déterminer si une intervention de maintenance préventive est requise. Ainsi, d’énormes pertes matérielles peuvent être épargnées, tout en améliorant la fiabilité et la disponibilité du système. En s’appuyant sur une nouvelle génération de capteurs piézoélectriques (High Temperature Ultrasonic Transducers HTUTs), mise récemment au point à l’Institut de Matériaux Industriel (IMI) de Boucherville (Qc., Canada) et qui offre de très bonnes caractéristiques (large bande de réponses fréquentielles, flexible, miniature, économiques, etc.), nous proposons dans cette thèse une investigation sur l’applicabilité de cette technologie à la problématique des décharges partielles. Ce travail présente une analyse des performances métrologiques de ces capteurs et démontre la cohérence de leurs mesures. De plus, il expose les résultats de validation issus d’une étude comparative avec les mesures d’un système conventionnel et reconnu dans l’industrie. En outre, il présente aussi le potentiel de ces capteurs à localiser le foyer des décharges partielles par émission acoustique

Calculs de sensibilités par méthode de Monte-Carlo, pour la conception de procédés à énergie solaire concentrée

Dans le contexte énergétique mondial de raréfaction des ressources fossiles, et de réduction des émissions de gaz à effet de serre, l’agence internationale de l’énergie prévoit que la filière solaire thermodynamique fournisse en 2050 plus de 10% de l’électricité mondiale. De gros efforts de recherche sont nécessaires pour atteindre cet objectif. Les axes de développement actuels des technologies solaires à concentration portent, entre autres, sur les systèmes optiques composés de multiples miroirs (champs d’héliostats, concentrateurs linéaires de Fresnel, Beam-Down), sur les récepteurs solaires volumétriques (récepteurs à air, lits fluidisés) et sur les réacteurs (chimie à haute température, photobioréacteurs, dessalement par voie thermodynamique). Le transfert d’énergie par rayonnement est un des phénomènes prépondérants dans les systèmes optiques concentrateurs et dans les récepteurs solaires volumétriques. Les laboratoires Rapsodee et Laplace ont développé en quelques années d’étroite collaboration un savoir faire méthodologique sur la modélisation des transferts radiatifs et le calcul de sensibilité par la Méthode de Monte- Carlo et ils ont accumulé une expérience pratique, issue de la synthèse d’image, en programmation scientifique en interaction avec des chercheurs en informatique. Nous montrons dans ce manuscrit dans quelle mesure l’association de ces compétences théoriques et pratiques permet de répondre à certains besoins de la communauté du solaire à concentration et nous donnons des éléments de réponses ou des pistes à explorer en vue de surmonter les difficultés restantes que nous avons rencontrées. ABSTRACT : The decrease of the fossil energy resources and the reduction of the emissions of greenhouse effect gas are major environmental issues. In this global situation, the International Energy Agency expects that solar power will provide more than 10% of the world electricity in 2050. Significant research efforts are needed to achieve this goal. Radiative transfer is one of the main physical phenomena in solar optical concentrators and in volumetric solar receivers. In few years of closely work, the laboratories Rapsodee and Laplace developed a methodological know-how in using Monte-Carlo methods for the modeling of radiative transfer and the sensitivity computations. They have also accumulated some experience in scientific programming and algorithms optimisation. We show in this dissertation how the combination of these physicists theoretical and practical skills can meet certain needs of the community of solar concentration. We give some answers or clues to be explored to get through the remaining difficulties we encountered

Modélisation du rayonnement dans la simulation aux grandes échelles de la combustion turbulente

La simulation de la combustion turbulente connait un nouvel essor avec l'introduction de la Simulation aux Grandes Échelles (SGE) qui permet de prédire l'évolution in stationnaire de l'écoulement réactif turbulent. Dans ce contexte la prise en compte du rayonnement soulève des questions d'ordre a la fois fondamental et pratique. En effet les processus physiques du rayonnement et de la combustion sont de nature radicalement différente : la combustion est contrôlée par des échanges locaux sur une durée finie, alors que le rayonnement est instantané et fait intervenir des échanges a distance. En premier lieu il convient de s'interroger sur l'impact de la modélisation SGE de la combustion turbulente sur le rayonnement. Cette question est traitée dans le cadre plus général de l'interaction rayonnement-turbulence. A partir d'études théoriques et numériques, il est montre que cette interaction est faible et qu'une solution SGE peut être directement utilisée pour un calcul radiatif, sans modélisation supplémentaire. Il s'agit ensuite de mettre en place de façon pratique le couplage in stationnaire rayonnement-combustion turbulente. Un point clé est la réduction du temps de calcul pour le rayonnement, et diverses stratégies sont proposées. En particulier un nouveau modèle spectral est introduit, utilisant une technique de tabulation et garantissant un niveau de précision suffisant. Le temps de calcul radiatif a ainsi été réduit de deux ordres de grandeur, permettant la réalisation d'un calcul couple sur une configuration de flamme pré-melangée turbulente. ABSTRACT : Simulation of turbulent combustion has gained high potential with the Large Eddy Simulation (LES) approach, allowing to predict unsteady turbulent reactive flows. In this context, taking into account radiation rises new fundamental and practical questions. Indeed the physics involved in radiation and in combustion are completely different : combustion is controlled by local exchanges and finite times whereas radiation is instantaneous and is based on non-local exchanges. In a first step, the impact of LES modelling of turbulent combustion on radiation is regarded. This question is treated in the more general frame of the turbulence-radiation interaction. From theoretical and numerical studies, it is shown that this interaction is weak in the LES context so that LES solutions can be directly coupled to radiative calculations, without further modelling. Then the unsteady coupling of radiation and turbulent combustion is realised. A key point is the reduction of calculation time of radiation, and several strategies are proposed. In particular a new global spectral model is introduced, using a tabulation technique and ensuring a sufficient level of accuracy. The radiative time calculation is finally decreased by two orders of magnitude, enabling the realization of a coupled calculation of a turbulent premixed flam