Notre équipe composée de physiciens et d’informaticiens veux construire une bibliothèque en
C + + qui permettra de résoudre de nombreux problèmes de physique, en simulant des équations différentielles partielles (PDE) avec des méthodes pseudo-spectrales dans différentes géométries (cube périodiques, plaque, un tore ou une sphère). Cette bibliothèque sera offert à la communauté scientifique et nous espérons commencer une synergie, où les utilisateurs pourraient développer leurs propres outils et d’augmenter la gamme de module de la bibliothèque SpecTLib. Elle permettra d’effectuer des calculs intensifs sur tout type d’architecture allant du simple ordinateur portable au calculateur Petaflopiques.
La construction d’outils permettant une bonne utilisation des machines massivement parallèles devient une priorité, mais nécessite un investissement récurrent. Notre outil pourra s’adapter sans tout recommencer, a une multitude d’architectures présentes et même futures.

Cette bibliothèque sera facile à utiliser et à mettre en œuvre. Les utilisateurs n’auront pas besoin d’entrer dans les détails de la parallélisation MPI et multi-thread. Les objets (des champ scalaires et vectoriels) construits avec leurs opérateurs mathématiques seront le cœur de SpecTLib. Les utilisateurs devront simplement coder leurs schémas temporels et leur système PDE, des exemples seront fournis.
Une optimisation automatique suivant l’architecture de l’ordinateur sera incluse à un bas niveau de la bibliothèque. Une structure suffisamment générique des objets permettra cette dissociation entre optimisation et implémentation.

Le nombre de sujets traités par les méthodes spectral et les géométrie proposée sont vastes.
Par exemple, en hydrodynamique, à très haute résolution nous serons en mesure d’atteindre le régime turbulent produit par l’instabilité convective, des rotation élevés, MHD, géodynamo, scalaire passif, et la liste est loin d’être exhaustive. Avec l’utilisation de "MetaLSpectral", nous serons en mesure d’utiliser des ordinateurs hautement parallèles, atteignant des phénomènes fortement non linéaires, les résultats auront une incidence sur un large éventail de domaines scientifiques comme des questions de l’environnement (polluants), les applications géophysiques et astrophysiques.

Nous proposons de construire une bibliothèque ayant les propriétés suivantes :
* Les géométries comme la boite périodique, une plaque, un tore et la sphère seront implémentées.
* La transformé de Legendre-Fourier pour les harmoniques sphériques, sera optimisée avec un nouvel algorithme mixe supportant le calcul multi-thread.
* Cette bibliothèque sera conçue afin de travailler et d’optimiser ces performances sur les ordinateurs petaflopiques.
* La bibliothèque MPI distribuées et multi-thread seront mixées, ainsi que le support sur GPU.
*Nous proposons une optimisation automatique pour s’adapter à la taille et l’architecture de l’ordinateur (arbre de décision et de dépendance).
*Notre bibliothèque comprendra des diagnostics « à la volée », capable de réduire la quantité de données, qui sont impossibles à sauver, notamment avec une transformation en ondelette et une sélection énergétique des structures des champs calculés.
*Nous proposons un modèle de classe pour la construction de la boucle du programme principale.
*Une interface sera conçus pour envoyer des données dans des modules de diagnostic avancé ou d’autres codes (ie trajectoires lagrangiennes, visualisation ...).
*Une interface python de la bibliothèque sera construite pour effectuer des commandes interactives ou dans un script python
*La bibliothèque sera sous la supervision de « subversion » (logiciel de contrôle de version) et « trac » (système de suivi de projets) pour rapporter les bugs et les améliorations.
*Après la fin de la période de beta-test, la bibliothèque sera un projet open source sous le contrôle de la licence CeCILL (www.cecill.info) (équivalent de la licence GPL en France).

Principal Investigator : Jérémie BEC.

A major part of the physical and chemical processes occurring in the atmosphere involves the turbulent transport of tiny particles. Current studies and models use a formulation in terms of mean fields, where the strong variations in the dynamical and statistical properties of the particles are neglected and where the underlying fluctuations of the fluid flow velocity are oversimplified. Devising an accurate understanding of the influence of air turbulence and of the extreme fluctuations that it generates in the dispersed phase remains a challenging issue.

This project aims at coordinating and integrating theoretical, numerical, experimental, and observational efforts to develop a new statistical understanding of the role of fluctuations in atmospheric transport processes. The proposed work will cover individual as well as collective behaviors and will provide a systematic and unified description of targeted specific processes involving suspended drops or particles: the dispersion of pollutants from a source, the growth by condensation and coagulation of droplets and ice crystals in clouds, the scavenging, settling and re-suspension of aerosols, and the radiative and climatic effects of particles.

The proposed approach is based on the use of tools borrowed from statistical physics and field theory, and from the theory of large deviations and of random dynamical systems in order to design new observables that will be simultaneously tractable analytically in simplified models and of relevance for the quantitative handling of such physical mechanisms. One of the outcomes will be to provide a new framework for improving and refining the methods used in meteorology and atmospheric sciences and to answer the long-standing question of the effects of suspended particles onto climate.

Simulation de la turbulence magnétohydrodynamique confinée Ce projet concerne la modélisation et la simulation numérique de la turbulence magnétohydrodynamique (MHD) dans un domaine fini avec parois. Nous proposons de combiner une méthode pseudo-spectrale, extrêmement efficiente, et une technique de pénalisation pour tenir compte à la fois du confinement spatial et de conditions aux limites idoines.

Nous avons déjà appliqué avec succès cette méthode pour la turbulence de fluide non conducteur, que nous généraliserons pour étudier les écoulements de turbulence MHD. Des études préliminaires en deux et trois dimensions ont démontré la faisabilité de cette approche. La méthode présente deux grands avantages. Premièrement, la géométrie du domaine de confinement peut être facilement modifiée sans changer le code numérique.

Deuxièmement, l’utilisation de la discrétisation spectrale permet de simuler des plages de paramètres (tels que le nombre de Reynolds) qui sont hors de portée avec les schémas actuellement disponibles. Une première partie du projet est consacrée à la validation de la méthode. Dans cette étape, nous nous concentrons en particulier sur les conditions aux limites pour le champ magnétique. En opposition à la vitesse, le champ magnétique n’est pas trivialement nul à la paroi. Différents types de conditions aux limites seront étudiés, implémentés et leur compatibilité avec la méthode de pénalisation sera évaluée.

Ensuite, les codes numériques dans lesquels nous aurons intégré la méthode de pénalisation seront optimisés et implémentés sur les calculateurs massivement parallèles du CNRS. Après cette phase de validation nous ferons des calculs numériques afin d’étudier trois phénomènes physiques distincts. Une première application à laquelle nous nous consacrerons est le problème dynamo qui porte sur l’auto-amplification du champ magnétique. Notre approche nous permettra d’aboutir à la compréhension détaillée des phénomènes d’amplification observés dans les expériences de dynamo, par des simulations à grand nombre de Reynolds de la turbulence MHD dans une géométrie confinée semblable à la configuration expérimentale (telle que l’expérience de dynamo dans un écoulement de Sodium à Cadarache). Une seconde application concerne l’analyse de la propagation des ondes d’Alfvén et de leur réflexion.

Ces ondes sont présentes dès lors qu’un champ magnétique agit sur un fluide conducteur, et jouent un rôle important en turbulence MHD. Une comparaison avec la réflexion d’ondes d’Alfvén observée dans l’expérience de Gallium liquide réalisée à Grenoble nous permettra d’avancer considérablement dans la compréhension des effets linéaires et non linéaires qui gouvernent la dynamique de la turbulence MHD. Notre troisième application porte sur l’auto-organisation de la turbulence MHD dans une enceinte toroïdale. Nous avons pu montrer récemment qu’un écoulement de plasma chaud bi-dimensionnel se met spontanément en giration dans une géométrie non axisymmétrique, alors que ça n’est pas le cas en géométrie axisymmétrique.

La forme de l’enceinte de confinement semble ainsi jouer un rôle critique pour ce qui concerne le champ de vitesse à grande échelle. L’extension de cette étude à trois dimensions de l’espace permettra d’évaluer la possibilité de la turbulence MHD 3D de s’auto-organiser en confinement toroïdal. Les retombées possibles sur la structuration spontanée et la rotation intrinsèque des plasmas de fusion seront finalement évaluées.

Aller au haut