Le calcul intensif de haute-fidélité en mécanique des fluides : un outil d’aide à la décision pour la protection contre le covid19

Parmi les modes de transmission suspectés du virus COVID19, les gouttelettes de respiration aéroportées semblent être un des principaux vecteurs. En exploitant le code communautaires YALES2, habituellement utilisé pour la prédiction haute-fidélité en mécanique des fluide, une équipe de chercheurs impliquant notamment leLaboratoire des écoulements géophysiques et industriels (LEGI/OSUG, CNRS/Université Grenoble Alpes/Grenoble INP) s’est fixé comme objectif d’évaluer les risques liés à ce mode de transmission, et l’efficacité des dispositifs de protection.

Les micro-gouttelettes pouvant contenir le virus COVID19 sont éjectées dans l’air (toux, éternuement, voire simple respiration) et pourront être maintenues en suspension sur des temps longs selon les conditions de l’écoulement environnant, avant d’être inhalées par d’autres personnes.
Évaluer les risques liés à ce mode de transmission, et l’efficacité des dispositifs de protection, nécessite de considérer de nombreuses configurations. La simulation numérique peut s’avérer un outil performant pour une telle évaluation, à condition que les phénomènes physiques mis en jeu soient le plus fidèlement reproduits.

C’est l’objectif que s’est fixé une équipe de chercheurs à partir du code YALES2 . Les membres de cette équipe - composée de chercheurs de trois laboratoires universitaires (CORIA, IMAG, et LEGI), mais également du groupe SAFRAN, et de l’Université du Vermont (USA) [1] - collaborent depuis de nombreuses années aux développements du code communautaires YALES2 (coordonné par V. Moureau, CORIA) pour la prédiction haute-fidélité en mécanique des fluides. Ces chercheurs utilisent habituellement YALES2 pour différents domaines où la mécanique des fluides est clef : aéronautique, combustion, énergie renouvelable, médical, … Et pour répondre à l’urgence liée à la pandémie, l’équipe a su mobiliser ses compétences à la frontière entre informatique, mathématiques appliquées, physique et sciences de l’ingénieurs. Cet effort a en particulier été initié pour contribuer au groupe de travail national sur le recyclage des masques coordonnée par Philipe CINQUIN (TIMC-Grenoble).

Les simulations réalisées permettent ainsi de simuler explicitement les instationnaritées de l’écoulement (contrairement à des approches statistiques plus standard) qui seront responsables du maintien en suspension des gouttelettes. Les équations résolues permettent de tenir compte du taux d’humidité de l’air et des variations des propriétés du fluide (masse volumique, viscosité) en fonction de la température, ce qui influencera la dynamique des gouttelettes (transport par l’écoulement, effet de la gravité, évaporation, etc…). De plus, le couplage avec la librairie de remaillage MMG (MMG) permet d’intégrer directement dans YALES2, la génération de maillage et son optimisation afin de pouvoir considérer des géométries complexes et d’optimiser le coût de calcul. Le projet bénéficie d’une allocation d’heures spécifique sur le supercalculateur JOLIOT-CURIE du TGCC-CEA (GENCI).

Un travail important d’automatisation de l’ensemble de la chaîne de calcul a également été réalisé. Cela permet d’automatiser la réalisation d’un plan d’expérience : de la génération du maillage jusqu’au traitement des résultats (typiquement les distributions des gouttelettes inhalées par un sujet). Les temps de retour de l’ensemble de cette « chaîne de calcul » sont de l’ordre de 24h pour une dizaine de configurations, en mobilisant de l’ordre de 4000 cœurs. Cela démontre que la simulation numérique de haute-fidélité en mécanique des fluides, associée à la puissance des supercalculateurs actuels, a les capacités d’être un outil d’aide à la décision pour répondre à ce type de crise.