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.