CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D Jean-Yves Berthou EDF Division Recherche et Développement CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 1

CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D Plan Le couplage de codes Un outil logiciel pour le couplage de codes ? CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D Les utilisations et utilisateurs de CALCIUM Conclusions et perspectives CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 2

CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D 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 ... CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 3

CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D 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) CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 4

CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D 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 n’est pas négligeable couplage de codes : exécutions simultanées, communication, synchronisation action Modèle 1 Modèle 2 couplage faible : simulation thermo-mecanique : une élévation de la température provoque des dilatations dans une structure qui réagit par une modification de ces contraintes mécaniques internes et une déformations éventuelle mais ces effets ne changent pas ses propriétés thermiques. Modèle 1 Modèle 2 action réaction CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 5

CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D 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 : b2=f(x) x b2 b1 y Y X a1 a2 couplage faible : simulation thermo-mecanique : une élévation de la température provoque des dilatations dans une structure qui réagit par une modification de ces contraintes mécaniques internes et une déformations éventuelle mais ces effets ne changent pas ses propriétés thermiques. Conclusion : ECHANGE DE DONNEES entre codes nécessaire CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 6

Un outil logiciel pour le couplage de codes ? En l’absence d’outils pour le couplage de codes, plusieurs approches possibles : 1. Implanter ex nihilo le phénomène couplé : Complexe du point de vue physique, numérique, informatique : risques d’échec 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 CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 7

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 d’indépendance des codes Multiplication potentielle des versions des codes intervenant dans plusieurs systèmes couplés => Nécessité d’un coupleur CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 8

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 l’image des processus physiques Intervenir peu dans les codes Préserver l’indépendance 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 CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 9

CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D 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 d’exercices (TPs) et procédure d’installation Un site WEB depuis avril 1999 (évaluation gratuite) : http://www.edf.fr/der/html/produits/logiciels/calcium/accueil.fr.htm Un Club utilisateurs : le CLUC CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 10

CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D Principes de base du couplage avec CALCIUM : Définir les points d’entrée et de sortie de chaque code : notion de code "COUPABLE" Définir une topologie de couplage : spécification EXTERNE du COUPLAGE : CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 11

CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D Un programmeur intègre son code dans l’environnement Calcium Tâche : construire l’interface 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 Tempcoeur PuissNeutro Puissance Temperature neutronix Thermix machine1 machine2 CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 12

CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D Définir une topologie de couplage dans un fichier de couplage à l’aide 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 CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 13

CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D Temperature Thermix Tempcoeur PuissNeutro Puissance Neutronix CODE Neutronix Tempcoeur T IN REEL PuissNeutro T OUT REEL CODE Thermix Puissance T IN REEL Temperature T OUT REEL INSTANCE Neutron EXEC start_Neutron INSTANCE HeatFlow EXEC start_heat LIEN Neutron.PuissNeutro => HeatFlow.Puissance HeatFlow.Temperature => Neutron.Tempcoeur CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 14

CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D 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 d’un numéro d’ITERATION 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 <u<tf deplacement (i+1), REEL CODE C Temperature (tf), REEL force (i), REEL CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 15

CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D 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 (delta*tf + (1-delta)*ti) CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 16

CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D Ecriture de PuissNeutro(t) Ecriture de PuissNeutro(t+1) Neutronix t+1 t x Thermix ti tf Lecture de Puissance(ti) Le code Thermix demande la donnée Puissance produite par le code Neutronix au temps ti=t+dt Puissance(ti) = (PuissNeutro(t+1)- PuissNeutro(t))*dt + PuissNeutro(t) CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 17

CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D La bibliothèque de couplage : CONNEXION/DECONNEXION au coupleur EXPORT/IMPORT EFFACEMENT INTERROGATION CONFIGURATION DYNAMIQUE OPTIONS CONTRÔLE CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 18

CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D Exécution du couplage : import/export de variables par passage de messages PVM librarie Calcium Thermix Neutronix commandes Calcium coupleur trace votre application Calcium CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 19

CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D 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 l’architecture du couplage, Gestion de la machine virtuelle CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 20

CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D 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 l’utilisation 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 CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 21

Les utilisations et utilisateurs de CALCIUM Calcium : un logiciel bien implanté ! CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 22

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 l’équipement de EDF (CNEH, SEPTEN) CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 23

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. CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 24

Les utilisations et utilisateurs de CALCIUM Le couplage MERCURE-ESTET Codes couplés : MERCURE et ESTET Acteurs : EDF-R&D/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 d’un ensemble de bâtiments. CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 25

Les utilisations et utilisateurs de CALCIUM Le projet CADYAC Codes couplés : CADYRO (EDF-R&D/EP/AMV) et EDYOS (EDF-R&D/EP/MSP) Acteurs : EDF-R&D/EP/AMV, EDF-R&D/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 l’électricité, en régime normal ou en présence d'anomalies (perte d'ailette, fissures, frottement, ...) CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 26

Les utilisations et utilisateurs de CALCIUM Le projet OCCER Codes couplés : CATHARE (CEA/DRN), THYC, COCCINELLE (EDF-R&D/RNE/PhR) Acteurs : EDF-R&D/RNE/PhR développeur, DE/SEPTEN et EDF-R&D/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. CATHARE est un code modélisant la thermohydraulique d’ensemble dans les circuits primaire et secondaire d’un réacteur nucléaire. Il permet de modéliser de nombreuses configurations d'écoulements généralement monodimensionnels mono et diphasique instationnaires. THYC est un code de thermohydraulique 3D des coeurs qui représente la thermohydraulique fine. Il permet de modéliser l'écoulement tridimensionnel d'un fluide monophasique ou diphasique instationnaire, les transferts thermiques dans les différents solides et ceux entre les parois et le fluide. COCCINELLE est un code de neutronique qui modélise les réactions nucléaires dans un coeur de réacteur, en tridimensionnel stationnaire et instationnaire. : Le couplage modélise la neutronique et la thermohydraulique tridimensionnel d’un cœur REP, modélisation monodimensionnel des circuits primaire et secondaire de la tranche et simulation d’accidents dissymétriques par rupture de tuyauterie vapeur. CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 27

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 THYC a besoin : conditions aux limites du coeur (pression en sortie, température et débit en entrée) et distribution de la puissance thermique dans le coeur. COCCINELLE a besoin : conditions aux limites du coeur et distributions tridimensionnelles de la masse volumique du mélange liquide-vapeur et des températures de l'eau et du combustible. CATHARE a besoin : puissance totale délivrée par le coeur. CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 28

Les utilisations et utilisateurs de CALCIUM Le maillage sur lequel est calculée la puissance par le code neutronique est en général plus fin que celui du code de thermohydraulique. Une conversion de maillage sera donc nécessaire lors du transfert de la puissance entre ces deux codes. Cette conversion pourrait être réalisée par l'un des codes en présence mais ceci irait à l'encontre du but recherché : la séparation entre codes à coupler et couplage effectif. CALCIUM fournit la possibilité d'insérer dans le couplage des utilitaires qui réalisent ces tâches de conversion sans modifier les codes à chaque nouveau couplage. La figure ci-dessus montre le diagramme final de couplage avec le coupleur, les codes et les divers utilitaires. Ce type de couplage serait quasiment impossible sans passer par un coupleur de codes. CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 29

Les utilisations et utilisateurs de CALCIUM Exemple d’application : RTV 1300 MW Le couplage de ces codes 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. Cette meilleure précision est atteinte grâce à la modélisation couplée qui intégre des effets locaux de puissance et de température qui ne sont pas modélisés dans une approche non couplée. On peut voir sur la figure ci-dessus, l'apport de la modélisation couplée par rapport à celle non couplée. CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 30

Les utilisations et utilisateurs de CALCIUM Le couplage SUBIEF-CHESS Codes couplés : SUBIEF (EDF-R&D/AEE/LNH), CHESS (Ecole des Mines de Paris) Acteurs : EDF-R&D/AEE/LNH et Ecole des Mines de Paris développeurs, EDF-R&D/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 l’altération chimique à long terme de certains matériaux constitutifs d'installations industrielles (liants hydrauliques, verres, métaux) par le lessivage des eaux souterraines CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 31

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 CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 32

Les utilisations et utilisateurs de CALCIUM COUPLAGE ESTET ESTET ACTEURS : AEE/LNH+AEE/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 CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 33

Les utilisations et utilisateurs de CALCIUM LE COUPLAGE LIDO-BELIER ACTEURS : DE/CNEH OBJECTIF évaluer l’impact de la fermeture d’une usine hydro-électrique sur le canal d’amenée PRINCIPE Couplage écoulement à surface libre/écoulement en charge RESULTATS : cf. figures CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 34

Conclusions et perspectives Un cas particulier de réutilisation de composants réutilisation de codes existants avec peu de modifications définition d’une interface de couplage et assemblage selon le principe des composants électriques Avantages Permet la modélisation de systèmes couplés Facilité d’intégration d’applications existantes dans l’environnement CALCIUM CALCIUM n’introduit 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 CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 35

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-R&D et CEA/DRN Stage de DEA été 1999 et thèse initiée en 11/1999 Partenaire potentiel : opération ELAN de CEA/DRN CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 36

Conclusions et perspectives 2. Une Interface Homme-Machine pour CALCIUM Quelles fonctionnalités : Description graphique de l’architecture du couplage Génération automatiquement du fichier de couplage Gestion d’une base de données de topologies de couplages Visualisation graphique de la trace des couplages Partenariat potentiel : département PhR de EDF-R&D CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 37

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 CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 38

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-R&D 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 CALCIUM : l'outil de couplage de codes de EDF-R&D - 39