Une approche multi-physiques et multi-échelles pour l'amélioration de l'efficacité de la modélisation et de la simulation des disjoncteurs haute-tension

La conception des disjoncteurs haute-tension est une tâche complexe et difficile en raison des écoulements internes compressibles supersoniques à haute température et instationnaires, des forts champs électriques, magnétiques et radiatifs. L'arc électrique créé lors de la séparation des contacts électriques en est la cause principale. Il s'apparente à un plasma porté à des températures qui avoisinent les 30 000 K et qui provoque la sublimation des matériaux à sa proximité. Devant la complexité de ces phénomènes et pour pouvoir en tirer des critères de design, les outils de simulations numériques sont indispensables pour répondre aux besoins des ingénieurs. Cependant, la modélisation et la simulation numérique de ces phénomènes multi-physiques, fortement non-linéaires, comportent de nombreux défis de natures multidisciplinaires. En effet, les aspects concernant : la physique, les méthodes numériques, la modélisation géométrique et le calcul haute-performance sont fortement entremêlés. La contrainte du temps de calcul, qui peut s'échelonner sur plusieurs semaines, est un frein supplémentaire majeur lors du développement de l'appareillage de coupure des circuits électriques haute-tension. Par conséquent, l'efficacité de la modélisation et de la simulation des disjoncteurs haute-tension dépend d'une approche multi-physiques et multi-échelles dans la conception des outils scientifiques. Dans un partenariat entre l'École Polytechnique de Montréal et la société Alstom (désormais intégrée à General Electric), vieux de plus de 30 ans, l'outil scientifique MC3 a été développé et enrichi par de nouveaux modèles au fil du temps afin de répondre aux besoins de simulation. En revanche, il était nécessaire de le moderniser : son architecture n'était pas adaptée au contexte multi-physiques, les algorithmes n'étaient pas adaptés aux architectures des matériels informatiques modernes, les performances en temps de calcul n'étaient pas maximisées et les simulations étaient restreintes à des calculs 2D axisymétriques. Dans un but de modernisation de MC3 et d'amélioration de son efficacité du point de vue des performances et de la fidélité des résultats de calcul, quatre axes de recherche ont été poursuivis consécutivement. En premier lieu, une révision des modèles a été proposée pour s'assurer de leur pertinence. Une mise à jour mineure du schéma numérique utilisé pour la résolution de la mécanique des fluides a été effectuée. Les autres modèles étaient à jour vis-à-vis de l'état de l'art. Cela a constitué des fondations stables et solides pour supporter la suite des étapes de modernisation. En second lieu, les performances en vitesse d'exécution avaient besoin d'être améliorées, une analyse approfondie de l'outil de calcul existant a donc été réalisée.

Abstract

High-voltage circuit breaker design is a complex and challenging task, because of several factors including the dynamics of fluid flow (unsteady supersonic compressible internal fluid flow at high temperature) and the the strong coupled electric, magnetic and radiative fields. These phenomena are caused by the electric arc created by the separation of the electrodes. The arc is considered as a plasma at a temperature approaching 30,000 K and creating wall sublimation of the boundary materials. Facing the complexity of these phenomena, numerical simulation tools are indispensable to comply with engineering requirements and to obtain design criteria. However, modelling and numerical simulation of these multiphysics phenomena, which are highly non-linear, constitute multidisciplinary challenges. Indeed, physics, numerical analysis, geometric modelling and high performance computing are strongly interrelated. Calculation times can take several weeks, representing an additional obstacle to the development of high-voltage circuit breakers. Consequently, the efficiency of the modeling and the numerical simulation of high-voltage circuit breakers depends on a multiphysics and multiscale approach while designing scientific tools. As a result of a long term partnership, over 30 years, between Alstom company (now part of General Electric) and Ecole Polytechnique de Montréal, the scientific tool MC3 has been developed and enriched with new models, following the simulation requirements. During the task of modernizing MC3, it was found that the software architecture was not well adapted to the multiphysics context, that the algorithms were not suitable to modern computing hardware architecture, and that performance in terms of the calculation runtime were not maximized. In addition, simulations were limited to 2D axisymmetric cases. The research aims to address those issues to improve its efficiency from performance and result fidelity perspectives, and this has led to four research axes. First, a model review has been conducted to confirm the relevance of each physical model. A minor update for the numerical scheme used to solve fluid dynamics has been performed. The other models were state of the art. That step constituted robust and stable foundations to support the consecutive steps of code modernization. Secondly, performance in terms of the calculation runtime needed to be drastically improved. This has led to an in-depth profiling of the actual tool. Code profiling and numerical analysis have permited to steer modification choices which have been carried out to speedup the simulation for all the physics, independently.