PhD proposal on material-science modeling with Python
Philippe Baucour from the ‘Unniversité de Franche Comté’ sent me an email saying that he was looking for the rare PhD candidate that would be able to do numerical modeling and material science on top of high-quality Python coding. I can sympathise with this quest: it is very hard to find someone who codes well, and if you want on top of that him to be able to do numerical modeling!
If you are not afraid of French, his PhD proposal is below. Contact him for more information. Please don’t contact me, I am drowning under (very interesting) e-mail.
Utilisation du calcul parallèle pour la modélisation fractale d’un stack de type PEMFC.
Proposition d’allocation de thèse
Thème 1.g : Modélisation, simulation et calcul haute performance
Thème 2.a : Energie, procédés, impacts environnementaux, stockage de l’énergie
Responsables au sein du département ENISYS-FEMTO-ST équipe Modélisation
D. Hissel, M.C. Péra, R. Glises, Ph. Baucour.
Les phénomènes qui prennent place au sein d’un stack de type PEMFC sont de nature multi-physiques et multi-échelles. Ainsi le comportement d’un stack complet ne peut être appréhendé dans sa globalité que s’il on intègre des domaines tout aussi différents que :
- Les phénomènes électriques et électrochimiques.
- La mécanique des fluides,
- Les phénomènes de transferts de chaleur et de matières,
L’ensemble de ces disciplines interagissent à des niveaux d’échelles complètement différents : du dépôt catalytique (i.e. ~um) au stack (i.e. ~m) soit un facteur d’échelle d’environ 106. De plus, les constantes de temps des différents phénomènes sont elles aussi très différentes et rajoutent à la complexité du problème.
Il y a énormément d’études portant sur la modélisation des piles à combustibles mais les difficultés énoncées ci-dessus amènent à faire des restrictions soit sur le domaine d’étude (une cellule), la géométrie (1D ou 2D rarement 3D) ou la représentation des phénomènes (modélisation système). De plus, la puissance de calcul nécessaire pour ce type de problème fortement couplé et non-linéaire n’est pas facilement accessible.
Le travail envisagé consiste à développer une modélisation 3D complète d’un stack à toutes les échelles à la fois de temps et d’espace. L’approche envisagée consiste à utiliser un modèle fractal qui puisse se partitionner et s’adapter à l’ensemble des échelles (temps et espaces) présentes dans un stack. La conception d’un code modulaire permettrait à terme de tester certaines hypothèses sur le fonctionnement des PEMFC. On peut citer par exemple :
- La gestion de l’eau et de l’humidification des gaz.
- Le démarrage à froid.
- Le fonctionnement en mode dégradé.
- Le design des canaux d’alimentation en gaz.
- Étude de la durabilité et de la fiabilité par un cyclage numérique.
Le laboratoire (ENISYS) dispose depuis peu d’un cluster de calcul qui permet d’envisager un modèle complet. Il est composé de 8 noeuds de calcul comportant un total de 64 processeurs pour 64 Go de mémoire et un espace disque de 1 To.
L’objectif de la thèse serait de développer un code parallèle qui permettrait de distribuer sur les 64 coeurs un modèle complet. Ce modèle peut s’envisager comme l’agrégation de modèles à différentes échelles :
- Modèle d’Assemblage Membrane Electrode
- Modèle d’écoulement non-conservatif dans un canal (déjà développé)
- Modèle de comportement thermique des plaques bipolaires
- Modèle de comportement électrique
Ces modèles relativement simples individuellement seront regroupés afin de former un modèle complet. La difficulté consiste à agréger les différents calculs à la fois en terme de temps et d’espaces, on parle alors de spatial computing ou de parallel computing si l’on distribue un problème complexe sur plusieurs processeurs. Dans le cas de la modélisation d’un stack PEMFC, le spatial computing est envisageable pour les différents domaines d’espaces mais il faudra recourir au parallel computing pour combiner l’ensemble des modèles et s’assurer de la convergence.
Cahier des charges de l’étude :
• Définition du stack étudié en se calquant sur les données expérimentales disponibles.
• Développement des codes de calcul en s’assurant de la compatibilité avec un fonctionnement dans un cluster.
• Développement d’un modèle maître faisant la collecte des différents modèles.
• Définition du partitionnement spatial et temporel.
• Validation sur des données expérimentales disponibles au laboratoire.
Matériel et logiciel envisagé :
- Utilisation du cluster sur une base de 32 processeurs en utilisation récurrente et 64 processeurs en utilisation intensive
- Programmation en Python des codes individuels et du code maître en utilisant au mieux les bibliothèques de calcul scientifique (Scipy, Numpy, FiPy, PyPar). L’utilisation d’un code propriétaire entraînerait un surcoût exorbitant en termes de licences (64 licences Matlab par exemple !)
- La parallélisation se fera par l’utilisation du MPI (Message Passing Interface) implémenté en Python.
- L’utilisation d’une solution de parallélisation est envisageable à travers l’utilisation de Ipython.
Contact:
Dpt-ENISYS
Energie, Ingénierie des Systèmes
multiphysiques
Daniel Hissel
TechnHom, 90010 Belfort Cedex, FRANCE
Phone : 33 (0) 3 84 58 36 21
Fax : 33 (0) 3 84 22 27 22
@ : danieL.hissel@univ-fcomte.fr
Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies
UMR CNRS 6174
Contact : Monsieur Daniel Hissel
Chef d'équipe Modélisation
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