PermaFoam : un solveur OpenFOAM pour la simulation du permafrost

Parmi les conséquences attendues du réchauffement climatique, la fonte du pergélisol ( ou permafrost en anglais - sol gelé de façon permanente pendant au moins deux années) est un enjeu important dans de nombreux domaines (constructions, rétroaction sur le climat, modification de la distribution des terres arables, ...).

L'objectif du projet ANR-HiPerBorea (hiperborea.omp.eu) est de quantifier l'évolution du permafrost sous réchauffement climatique, en s'appuyant sur des simulations 2D et 3D menées sur différents bassins versants boréaux . Pour cela, le solveur permaFoam [1][2][3] a été développé en s'appuyant sur le logiciel OpenFOAM avec la collaboration d'ESI-Group. Le code propose une résolution d'une équation de Richards pour l'évolution de la teneur en eau dans le sol, et d'une équation de Fourier pour les transferts thermiques. La solidification de l'eau ainsi que le prélèvement d'eau liquide par les systèmes racinaires est également implémentée.

La complexité des simulations et les maillages requis pour la représentation du domaine (jusqu'à plusieurs centaines de millions de cellules) rend l'usage des supercalculateurs indispensables. Dans ce cadre, une étude approfondie des performances parallèles est proposée, dont une étude de scalabilité sur différentes architectures et différents maillages, jusqu'à plus de 10 000 cœurs. D'excellentes performances parallèles sont obtenues avec un comportement superscalable sur la majeure partie de la plage étudiée (e.g. : jusqu'à 16 384 coeurs sur IRENE-ROME). Ces performances parallèles permettent un usage efficace des calculateurs régionaux (OLYMPE,CALMIP) et nationaux (JOLIOT-CURIE,TGCC) sur lesquels le code est porté, et 7M d'h.cpu ont été attribuées au projet HiPerBorea par le GENCI pour la session DARI A12. Ces ressources, combinées aux performances de permaFoam, sont actuellement mises en œuvre pour effectuer des simulations de la dynamique du permafrost à l'échelle du siècle pour la prévision des impacts du changement climatique. Au cours de la présentation, un retour d'expérience sera également proposé sur la participation d'HiPerBorea au programme Summer Of HPC organisé par PRACE à l'été 2022.

[1] Orgogozo L., Prokushkin A.S., Pokrovsky O.S., Grenier C., Quintard M., Viers J., Audry S., 2019. Water and energy transfer modelling in a permafrost-dominated, forested catchment of Central Siberia: the key role of rooting depth. Permafrost and Periglacial Processes 30 (2019) 75- 89. DOI: 10.1002/ppp.1995 [2] Orgogozo L., Xavier T., Oulbani H., Grenier C., under review. Permafrost modelling with OpenFOAM®: new advancements of the permaFoam solver. [3] https://develop.openfoam.com/Community/hydrology