Simulations numériques des plasmas astrophysiques au DAPNIA

Projet SNOOPY

Simulations numériques des plasmas astrophysiques au DAPNIA

Projet SNOOPYEdouard Audit , Sacha Brun, Frédéric Masset , Romain Teyssier DAPNIA/SAp Jean-Paul Le Fèvre, Daniel Pomarède, Bruno Thooris DAPNIA/SEDI/LILAS

Des domaines de physique variés:Plusieurs applications : la cosmologie, le milieu interstellaire, les disques protoplanétaires, la physique stellaire et la physique des plasmas denses et chauds créés par laser.

Le code Héracles : code numérique 3D en volumes finis sur maillage fixe (méthode multigrilles en cours de développement), il résoud l'équation du transfert radiatif couplée à l'hydrodynamique.

Le code Ramses : code numérique AMR (Adaptative Mesh Refinement) 3D en volumes finis, il traite l'équation de Vlasov-Poisson ; le potentiel gravitationnel est calculé en résolvant l'équation de Poisson sur la grille AMR ; la dynamique du gaz est décrite par un schéma de Godunov.

Calcul intensif sur architecture massivement parallèle : machines du SAp, CCRT de Bruyères, IDRIS, centres de calcul internationaux (Barcelone, Berkeley)... Les calculs sur ces plates-formes parallèles (plusieurs milliers de processeurs) demandent une forte expertise dans l'utilisation des bibliothèques MPI (Message Passing Interface) et l'optimisation des méthodes numériques.

Des domaines de physique variés:Plusieurs applications : la cosmologie, le milieu interstellaire, les disques protoplanétaires, la physique stellaire et la physique des plasmas denses et chauds créés par laser.

Le code Héracles : code numérique 3D en volumes finis sur maillage fixe (méthode multigrilles en cours de développement), il résoud l'équation du transfert radiatif couplée à l'hydrodynamique.

Le code Ramses : code numérique AMR (Adaptative Mesh Refinement) 3D en volumes finis, il traite l'équation de Vlasov-Poisson ; le potentiel gravitationnel est calculé en résolvant l'équation de Poisson sur la grille AMR ; la dynamique du gaz est décrite par un schéma de Godunov.

Calcul intensif sur architecture massivement parallèle : machines du SAp, CCRT de Bruyères, IDRIS, centres de calcul internationaux (Barcelone, Berkeley)... Les calculs sur ces plates-formes parallèles (plusieurs milliers de processeurs) demandent une forte expertise dans l'utilisation des bibliothèques MPI (Message Passing Interface) et l'optimisation des méthodes numériques.

Développements en cours: méthode multigrilles dans Héracles, visualisation des données du code FARGO, bases de données Opacités et Résultats numériques, optimisation, tests de solveurs…

Grâce à ce projet, les codes de simulations utilisent maintenant le format HDF5 (Hierarchical Data Format) qui permet une meilleure gestion et utilisation de la très grande quantité de données produites:

Les codes peuvent générer plusieurs Téraoctets de données en quelques semaines. Le post-traitement de ces données brutes est une phase cruciale, puisqu’elle conduit aux résultats scientifiquement exploitables

Les données sont lues et exploitées par une interface graphique développée dans l’environnement logiciel d’IDL :

• programmation objets

• accéleration graphique OpenGL

• interactivité, navigation spatiale

• objets graphiques : surfaces, images, projections volumiques, iso-surfaces…

• grilles cartésiennes, nuages de points• champs scalaires et vectoriels

Visualisation

Le projet SNOOPY est un Programme DAPNIA né de la collaboration du laboratoire LILAS du SEDI avec le groupe Simulations Numériques du SAp : il ambitionne de développer dans le domaine des simulations numériques en astrophysique, des méthodes numériques, des logiciels de visualisation, des bases de données distribuées. Il contribuera également à l’optimisation et à la parallélisation des codes de calcul… Il intègre aussi la participation du DAPNIA au projet ANR HORIZON et au projet Opacités (voir plus bas) qui permettront la rationalisation et la valorisation des développements informatiques et numériques du DAPNIA sur la scène internationale. Il permettra en outre de développer des outils d’enseignement destinés aux étudiants et aux post-doctorants dans ces domaines, ainsi qu’à la formation interne.

Le projet SNOOPY est un Programme DAPNIA né de la collaboration du laboratoire LILAS du SEDI avec le groupe Simulations Numériques du SAp : il ambitionne de développer dans le domaine des simulations numériques en astrophysique, des méthodes numériques, des logiciels de visualisation, des bases de données distribuées. Il contribuera également à l’optimisation et à la parallélisation des codes de calcul… Il intègre aussi la participation du DAPNIA au projet ANR HORIZON et au projet Opacités (voir plus bas) qui permettront la rationalisation et la valorisation des développements informatiques et numériques du DAPNIA sur la scène internationale. Il permettra en outre de développer des outils d’enseignement destinés aux étudiants et aux post-doctorants dans ces domaines, ainsi qu’à la formation interne.

Le Projet Opacités:Dans le cadre de l’ILP, Institut Lasers et Plasmas, l’équipe SAp/Lilas collabore avec le CELIA ( Centre Lasers Intenses et Applications) de Bordeaux sur un projet de bases de données d’opacités et d’équations d’état dans le but de modéliser les plasmas produits par laser.Cette mise en commun des ressources permettra aux communautés Plasmas Lasers et Astrophysique de partager leur expertise dans des domaines voisins.

Le Projet Opacités:Dans le cadre de l’ILP, Institut Lasers et Plasmas, l’équipe SAp/Lilas collabore avec le CELIA ( Centre Lasers Intenses et Applications) de Bordeaux sur un projet de bases de données d’opacités et d’équations d’état dans le but de modéliser les plasmas produits par laser.Cette mise en commun des ressources permettra aux communautés Plasmas Lasers et Astrophysique de partager leur expertise dans des domaines voisins.

Quelques références : 1. Héracles: a three dimensional radiation hydrodynamics code, M.Gonzales, E.Audit, P.Huynh

(Astronomy and Astrophysics, soumis)

2. Cosmological Hydrodynamics with AMR: a new high resolution code named Ramses, R.Teyssier (Astronomy and Astrophysics, 385,337-364, 2002)

3. Kinematic Dynamo using a High Order Godunov Scheme with CT and AMR, Teyssier, Fromang, Dormy, Journal of Computational Physics, 2006, in press, astro-ph/0601715

4. Numerical Modelling of Astrophysical Plasmas, E.Audit, D.Pomarède, R.Teyssier, B.Thooris (ASTRONUM 2006; Palm Springs, mars 2006)

Quelques références : 1. Héracles: a three dimensional radiation hydrodynamics code, M.Gonzales, E.Audit, P.Huynh

(Astronomy and Astrophysics, soumis)

2. Cosmological Hydrodynamics with AMR: a new high resolution code named Ramses, R.Teyssier (Astronomy and Astrophysics, 385,337-364, 2002)

3. Kinematic Dynamo using a High Order Godunov Scheme with CT and AMR, Teyssier, Fromang, Dormy, Journal of Computational Physics, 2006, in press, astro-ph/0601715

4. Numerical Modelling of Astrophysical Plasmas, E.Audit, D.Pomarède, R.Teyssier, B.Thooris (ASTRONUM 2006; Palm Springs, mars 2006)

Simulation des turbulences du milieu interstellaire sur une grille 1200Simulation des turbulences du milieu interstellaire sur une grille 1200120012001200 de dimension 15 pc;1200 de dimension 15 pc;visualisation de la densité du plasma sur une tranche par reconstitution d’une image (à gauche) et par visualisation de la densité du plasma sur une tranche par reconstitution d’une image (à gauche) et par projection volumique (à droite).projection volumique (à droite).

Simulation de la formation des structures de l’univers. La technique de maillage adaptatif permet Simulation de la formation des structures de l’univers. La technique de maillage adaptatif permet d’atteindre une résolution équivalente à celle d’une grille cartésienne 8096d’atteindre une résolution équivalente à celle d’une grille cartésienne 8096809680968096; visualisation de 8096; visualisation de la densité par projection volumique (à gauche) et par rendu tridimensionnel d’une iso-surface (à droite).la densité par projection volumique (à gauche) et par rendu tridimensionnel d’une iso-surface (à droite).

Le Projet Horizon: L’équipe SAp/Lilas collabore également au projet Horizon; cette collaboration ANR, dont le SAp est leader, regroupe des laboratoires du CEA, CNRS, INSU, IAP et autres sur les objectifs suivants:* Mathématiques appliquées à la formation des galaxies* Programmation parallèle et calculs distribués* Observations virtuelles et data bases * Processus physiques, conditions initiales

Le Projet Horizon: L’équipe SAp/Lilas collabore également au projet Horizon; cette collaboration ANR, dont le SAp est leader, regroupe des laboratoires du CEA, CNRS, INSU, IAP et autres sur les objectifs suivants:* Mathématiques appliquées à la formation des galaxies* Programmation parallèle et calculs distribués* Observations virtuelles et data bases * Processus physiques, conditions initiales

Interface graphique utilisée pour la visualisation des simulations. Une iso-surface Interface graphique utilisée pour la visualisation des simulations. Une iso-surface semi-transparente du champ de densité se juxtapose au champ vectoriel de vélocité semi-transparente du champ de densité se juxtapose au champ vectoriel de vélocité hydrodynamique. L’interface permet de modifier les attributs des objets représentés.hydrodynamique. L’interface permet de modifier les attributs des objets représentés.

Visualisation de la distribution de densité du milieu interstellaire. L’interface Visualisation de la distribution de densité du milieu interstellaire. L’interface permet de visualiser une surface et de naviguer dans le référentiel associé. La permet de visualiser une surface et de naviguer dans le référentiel associé. La distribution est également projetée sur une image sur laquelle des profils peuvent distribution est également projetée sur une image sur laquelle des profils peuvent êêtre obtenus.tre obtenus.

Valorisation hors DAPNIA: projets Opacités et Horizon