Simulation numérique avancée pour la cavitation : calcul haute performance, modèles numériques et diphasiques, thermodynamique hors équilibre, simulation des grandes échelles – ASCA

Les programmes d’étude sur la cavitation ont mis en évidence la grande difficulté de corréler de nombreux résultats relatifs à une prédiction fiable de la cavitation que ce soit dans le domaine des machines hydrauliques, des turbo-pompes spatiales, des hélices marines, ou encore dans le domaine de la combustion et de la formation de spray dans les moteurs. L’approche multi-physique du mécanisme de vaporisation dans les écoulements turbulents à haut nombre de Reynolds reste encore un challenge du point de vue numérique et expérimental. En effet, compte tenu des interactions non linéaires entre les structures de la turbulence et le phénomène de vaporisation il s’avère de nos jours encore difficile de modéliser le couplage turbulence-cavitation d’autant plus que la dynamique des échanges interfaciaux entre les phases est extrêmement complexe à comprendre. La simulation numérique se heurte à de nombreuses difficultés liées à la prise en compte en autre des effets de compressibilité, la propagation d'ondes (de détente, de choc), la modélisation de la turbulence (effets dilatationnels), la modélisation de la transition de phase et des effets thermiques pour des liquides thermo-sensibles. L'intégration numérique des systèmes d'EDP considérés est particulièrement raide, en raison de la présence de termes source dans les équations et à cause des variations très fortes de la vitesse du son dans le mélange. En outre, comme la physique impose l'utilisation de pas de discrétisation très faibles, les coûts de calcul deviennent rapidement prohibitifs pour des simulations 3D instationnaires. Il apparaît un besoin fort en développement de stratégie massivement parallèle et en l'amélioration des méthodes numériques.

Ce projet vise à mettre en place une stratégie numérique haute performance (HPC) pour la simulation de la cavitation hydrodynamique.
Compte tenu de la complexité de la physique (diphasique, transition de phase hors équilibre thermodynamique, forts effets de compressibilité, propagation d'ondes de pression et de choc, interaction avec la turbulence aux petites échelles), il n'existe pas à ce jour de code fiable capable de simuler les configurations académiques et industrielles. Dans le but de développer un code de simulation robuste et fiable, basé sur de nouvelles méthodes mathématiques et des stratégies modernes utilisées en HPC, ce projet aura un fort impact sur l'étude et la simulation des écoulements avec cavitation.
Nous proposons de relever les défis suivants :
(i) développer de nouvelles méthodes numériques d’ordre élevé ainsi que des modèles avancés pour des écoulements avec ondes de choc, détentes et interfaces;
(ii) développer un logiciel HPC partagé contenant des méthodes avancées pour la simulation de la cavitation en écoulement tridimensionnel;
(iii) appliquer ces codes pour simuler des configurations réalistes qui sont actuellement difficiles à simuler avec les codes existants, notamment à cause du coût excessif liés aux pas de discrétisation très faibles et à la forte raideur des systèmes d'EDP.