Dissertations / Theses: 'Méthode des frontières immergées'

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Tayllamin, Bruno. "Evaluation d'une méthode de Frontières immergées pour les simulations numériques d'écoulements cardiovasculaires." Thesis, Montpellier 2, 2012. http://www.theses.fr/2012MON20100.

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Abstract:

L'approche la plus courante en Mécanique des Fluides Numérique pour réaliser les simulations d'écoulement cardiovasculaire consiste à utiliser des méthodes numériques Body-fitted. Ces méthodes ont permis d'obtenir des simulations d'écoulement sanguin dans les artères qui sont précises et utiles. Toutefois, la génération du maillage body-fitted est une tâche qui demande beaucoup de temps et d'expertise à l'utilisateur.Les méthodes de Frontières Immergées sont des méthodes numériques alternatives qui ont l'avantage d'être plus simples d'emploi car elles ne requièrent aucune tâche de maillage de la part de l'utilisateur. Le travail présenté ici vise à évaluer le potentiel d'un méthode de Frontières Immergées à réaliser des simulations d'écoulement cardiovasculaire.Ce travail s'attache, dans un premier temps, à décrire les capacités de cette méthode numérique à rendre compte de l'imperméabilité et de la mobilité des parois sur des cas relativement simples mais représentatifs d'écoulements cardiovasculaires. Ensuite, des applications de la méthode à des cas d'écoulement cardiovasculaire plus complexes sont montrées. Il s'agira d'abord d'une simulation de l'écoulement dans un modèle rigide d'artère aorte. Puis, la simulation d'un écoulement à l'intérieur d'un ventricule cardiaque à paroi mobile sera montrée
The most common approach in Computational Fluid Dynamics(CFD) for simulating blood flow into vessel is to make use of a body-fitted me-thod. This approach has lead to accurate and useful simulations of blood flowinto arteries. However, generation of the body-fitted grid is time consuming andrequires from the user an engineering knowledge.The Immersed Boundary Method has emerged as an alternate method whichdoes not require from the user any grid generation task. Simulations are done on astructured Cartesian grid which can be automatically generated. Here we addressthe question of the capability of an Immersed Boundary Method to cope withcardiovascular flow simulations.In particular, we assess the impermeable and moving properties of the wallwhen using the Immersed Boundary Method on simple but relevant vascular flowcases. Then, we show more complex and realistic cardiovascular flow simulations.The first application consists of blood flow simulation inside an aorta cross model.Then, the simulation of blood flow inside a cardiac ventricle with moving wall isshown

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Lavoie, Pierre. "Méthode de frontières immergées pour la modélisation du givrage en vol des aéronefs." Thesis, Toulouse, ISAE, 2021. http://www.theses.fr/2021ESAE0016.

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Abstract:

Le givrage en vol est un danger pour la sécurité d’un aéronef, car il peut affecter son aérodynamique, ses sondes et ses capteurs. La modélisation de ce phénomène se fait généralement par un appel séquentiel à des modules traitant la génération de maillage, l’aérodynamique, la trajectoire des gouttelettes, le transfert de chaleur à la paroi, la thermodynamique et la mise à jour de la géométrie. Il est important d’automatiser ce processus, car les modules sont contenus dans une boucle temporelle (multi pas) pouvant être répétée plusieurs fois pour une prévision adéquate du givre. La robustesse des outils numériques de givrage est souvent limitée par la difficulté à générer un maillage sur de formes de givre complexes et aussi par la mise à jour de la géométrie qui peut mener à des croisements de la surface. L’objectif principal de cette thèse est d’évaluer le potentiel des méthodes de frontières immergées (IBMs) pour résoudre ces problèmes en éliminant l’intervention de l’utilisateur tout en conservant la précision des approches basées sur des maillages conformes (BF).Les développements sont effectués dans le logiciel IGLOO2D. L’écoulement d’air y est modélisé par les équations d’Euler couplé à un code de couche limite. La méthodologie consiste à démarrer les simulations sur un maillage conforme (BF) et d’appliquer l’IBM seulement sur le givre. Un raffinement du maillage initial est appliqué près de la zone de givrage ce qui permet d’éviter complètement le remaillage. Parce que le givre est immergé dans le maillage, les modules volumiques (aérodynamique et gouttelettes) sont modifiés pour appliquer les conditions aux limites sur la frontière immergée (IB). Les données surfaciques sont extraites sur l’IB puisqu’elles sont requises par les modules surfaciques (thermodynamique et couche limite) qui eux, restent inchangés. De plus, une méthode level-set remplace l’approche de déplacement de nœuds normalement employée pour la mise à jour de la géométrie.Premièrement, une méthode de pénalisation (une IBM) est développée pour les équations d’Euler en se basant sur la méthode Characteristic-Based Volume Penalization (CBVP). L’approche provenant de la littérature pénalise les équations d’Euler en appliquant une vitesse de glissement et un mur adiabatique tout en considérant la courbure de la paroi. Une nouvelle approche (CBVP-Hs) est proposée afin d’imposer la conservation de l’entropie et de l’enthalpie totale dans la direction normale à l’IB, remplaçant la condition adiabatique. Les résultats démontrent que la nouvelle méthode est plus précise sur des maillages plus grossiers et se comporte mieux sur des géométries à forte courbure.Deuxièmement, une méthode de pénalisation est développée pour la trajectoire des gouttelettes afin de combler un manque dans la littérature. Pour ce système d’équations, la condition de paroi doit être traitée de façon à éviter une réinjection des gouttelettes dans le fluide à partir d’une paroi solide. Cette situation est réglée par l’ajout d’un masque pour les gouttelettes en plus du masque solide usuel, permettant une détection automatique des conditions dans la zone d’impact et dans la zone d’ombre des gouttelettes. Les résultats démontrent la capacité de la nouvelle méthode à reproduire le comportement d’une approche BF.Troisièmement, les méthodes de pénalisation développées précédemment (Euler et gouttelettes) et la méthode level-set sont intégrées dans IGLOO2D. Des simulations de givrage multi pas sont effectuées en 2D sur des profils d’aile. Les résultats correspondent généralement à ceux obtenus par une approche BF, même si un maillage plus raffiné est parfois nécessaire pour une bonne prévision du givre. Cette thèse offre une alternative intéressante à une approche BF classique tout en permettant une extension facile à des simulations 3D, une application pour laquelle les IBMs et la méthode level-set présentent encore plus d’avantages
In-flight ice accretion poses a serious threat to an aircraft safety by affecting its aerodynamics, probes and sensors. The numerical modelling of this phenomenon generally involves a sequential call to different modules including mesh generation, aerodynamics, droplet trajectories, wall heat transfer, ice accretion and geometry update. The automation of this process is critical as the solvers are embedded in a time loop which is repeated several times (multi-step) to obtain an accurate ice shape prediction. The robustness of ice accretion tools is often limited by the difficulty of generating meshes on complex ice shapes and also by the geometry update which can exhibit overlaps if not treated properly. The objective of this thesis is to investigate the potential of Immersed Boundary Methods (IBMs) to solve these issues by eliminating the user intervention in the mesh update while maintaining the accuracy obtained from a Body-Fitted (BF) approach.The developments are done in the ice accretion suite IGLOO2D, using the Euler equations to model the airflow and a boundary layer code to retrieve the wall heat transfer. The proposed methodology is to start the simulations with the usual BF mesh and apply the IBM to deal with the ice shape only. Re-meshing is avoided entirely by properly refining the initial mesh where ice accretion is expected. As the ice shape can cut arbitrarily through the mesh, the volume solvers (aerodynamics and droplet trajectories) are modified to enforce the boundary conditions on the Immersed Boundary (IB). Surface data extraction at the IB is also performed as required by the surface solvers (boundary layer and ice accretion), which are left unchanged. In addition, the level-set method is implemented as a replacement to the Lagrangian node displacement method in order to solve the issues related to the geometry update.First, an IBM is developed for the Euler equations. The volume penalization method (an IBM) is commonly used for viscous flows but only one application to inviscid compressible flows can be found, which uses the CBVP method. This approach penalizes the Euler equations to enforce a no-penetration velocity and an adiabatic wall while accounting for wall curvature. A new approach based on the CBVP is proposed to impose the conservation of entropy and total enthalpy in the normal direction to the wall instead of the classical adiabatic condition. Numerical tests show that the new CBVP-Hs method is more accurate than the CBVP method on coarser meshes and better at retrieving attached flows for curved geometries.Second, a new penalization method is developed for the Eulerian droplet equations as no application to this system of equations is available in the literature. The wall boundary condition must be treated with care to avoid droplets re-injection from a solid boundary into the fluid. This is solved by the introduction of a droplet mask function in addition to the usual solid mask, providing an automatic detection of the wall boundary conditions in the impingement and shadow zones. The results show that the solution from a BF simulation can be reproduced using this new penalization method.Third, the previously developed penalization methods (Euler and droplet equations) are integrated in the ice accretion suite along with the level-set method. Multi step ice shape predictions are performed on 2D rime and glaze ice cases. The results are generally in good agreement with the BF approach but the IBM sometime requires a finer mesh to obtain a good ice shape prediction, especially in the presence of detached flows. The proposed methodology is an interesting alternative to the classical body-fitted approach and should be easy to extend for 3D ice accretion, where the use of an IBM and level-set method shows greater benefits

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Riahi, Hamza. "Développement d’une méthode des frontières immergées pour l’analyse et le contrôle des écoulements compressibles." Thesis, Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique, 2018. http://www.theses.fr/2018ESMA0015/document.

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Abstract:

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de la simulation numérique et l'analyse des écoulements compressibles, notamment en géométrie complexe ou mobile. Dans ces situations, la mise en place d'un maillage représentant correctement lesolide sans perte de précision des méthodes de discrétisation s'avère difficile. Une alternative est de travailler en maillage cartésien quelque que soit la géométrie du domaine d'écoulement en introduisant une approche aux frontières immergées.Dans ce contexte, on propose une amélioration et extension d'une méthode formulée pour la simulation des écoulements incompressibles. Les deux principales caractéristiques du modèle proposé sont d'une part l'intégration d'un nouveau terme de forçage des vitesses qui prend en compte les effets de pression et d'autre part l'intégration d'un nouveau terme de correction de température dans le traitement de l'équation de l'énergie.Cette méthode a été intégrée dans deux solveurs compressibles du code OpenFOAM : SonicFOAM et RhoCentralFOAM. La validation a été effectuée en considérant différents cas de complexité croissante sur des corps 2Dfixes et mobiles, pour lesquels on a fait varier les nombres de Mach et de Reynolds. De plus, des cas mettant en jeu des transferts de chaleur pariétaux ont été étudiés. Les résultats ont été comparés à un grand nombre de données numériques et expérimentales issues de la littérature.Enfin, des études sur des configurations plus complexes tridimensionnelles ont été mises en place. Les bifurcations de régime d'écoulement de la sphère ont été investiguées quand le nombre de Mach augmente. Une sphère avec des parois non-adiabatiques a été également analysée. Une géométrie réaliste de drone a été simulée en régime compressible.Ces analyses mettent en évidence de nombreuses caractéristiques favorables de la méthode des frontières immergées en termes de précision, de flexibilité et de coût de calcul
This thesis is related to the numerical simulation and the analysis of compressible flows, especially in complex or mobile geometry. In these situations, the establishment of a mesh correctly representing the solid with out loss of precision of discretization methods is difficult. An alternative is to use Cartesian mesh independently of the geometry of the flow domain by introducing an immersed boundary approach. In this context, we propose an improvement and extension of a method formulated for the simulation of incompressible flows. The two main characteristics of the proposed model are on the one hand the integration of a new velocity forcing term which takes into account the effects of pressure and on the other hand the integration of a new term of temperature correction in the treatment of the energy equation. This method has been integrated in two compressible solvers of OpenFOAM code: SonicFOAM and RhoCentralFOAM. The validation was carried out by considering different cases of increasing complexity on fixed and mobile 2D bodies, for which the Mach and Reynolds numbers were varied. In addition, cases involving parietal heat transfer have been studied. The results were compared to a large number of numerical and experimental data from the literature. Finally, studies on more complex three-dimensional configurations have been done. The flow regime bifurcations of the sphere have been investigated as the Mach number increases. A sphere with non-adiabatic walls was also analyzed. A realistic drone geometry was simulated in a compressible regime.These analyzes highlight many favorable features of the immersed boundary method in terms of accuracy, flexibility and computational cost

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Nauleau, Florent. "Méthode des frontières immergées pour la simulation aux grandes échelles de véhicules de rentrée hypersoniques." Electronic Thesis or Diss., Bordeaux, 2023. http://www.theses.fr/2023BORD0477.

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Abstract:

Les travaux de cette thèse consiste au développement de code de simulation pour le design de véhicule de rentrée atmosphérique. Le code mis à disposition est un code de frontières immergées, réduisant considérablement le temps de génération de maillage complexe. Plusieurs implémentations au sein du code permettent de réduire le temps de calcul tout en gagnant en précision. L'étude de phénomènes complexes se développant autour des objets simulés seront étudiés à l'aide d'analyse topologique, aidant au choix de méthode numérique à utiliser. D’un point de vue numérique, la conception d'un véhicule de rentrée atmosphérique pour sa tenue aérothermique, repose souvent sur des codes de calculs utilisant les équations de Navier-Stokes moyennées (RANS) et des maillages structurés body-fitted. Ces deux technologies permettent d'obtenir une représentation moyennée des phénomènes en un temps raisonnable. Cependant, l’utilisation d’un champ moyenné implique une moindre maîtrise des contraintes maximum qui pourraient s'appliquer sur le véhicule et la génération de ces maillages body-fitted est extrêmement coûteuse en temps. D’un point de vue visualisation, les méthodes traditionnelles d’analyse sont basées sur la géométrie des écoulements et des grandeurs moyennées à l’échelle du domaine. En raison des nombres de Mach et de Reynolds élevés et de la complexité géométrique des écoulements ces méthodes sont souvent poussées jusqu'aux limites de leur applicabilité, voire rendues obsolètes pour la segmentation et la comparaison de tourbillons. Cette thèse a pour but d'apporter des éléments de réponse aux préoccupations numériques et de visualisation scientifique citées précédemment. Pour améliorer les méthodes de frontières immergées, de nouveaux solveurs de Riemann et schémas de reconstruction d’ordre élevés, tels que les TENO et WENO ont été intégrés au sein d’un code de Simulation Numérique Directe (DNS). Pour réduire le coût en maillage des simulations DNS, le modèle de sous-maille 'Wall-Adapting Local Eddy-Viscosity' (WALE) a été implémenté. Ce modèle permet de réaliser des Simulations aux Grandes Échelles. Lors de ces simulations, on calcule les tourbillons les plus grands et on modélise les petits. La capture de la couche limite, c’est-à-dire des effets aérodynamiques et thermiques à la paroi du véhicule, est investiguée en proposant des lois de paroi pour des régimes de vol hypersoniques. Ces modèles de parois permettront de réduire le nombre de mailles et ainsi le coût de calculs en modélisant la couche limite. L’analyse topologique des données est une approche émergente particulièrement intéressante pour appréhender la quantité et la complexité des données générées en aérodynamique. Ce domaine, issu de l’informatique et des mathématiques appliquées, propose d’extraire, de mesurer et de comparer des informations structurelles cachées au sein de grands volumes de données complexes. Basée sur des techniques de projection et de réduction de dimensions ces approches permettent d’extraire des caractéristiques sur les données qui sont difficilement identifiables dans un espace géométrique et viennent compléter les fonctionnalités des logiciels de visualisation haute-performance tel que Paraview. Des protocoles d’analyse topologique ont été proposés pour comparer et valider les nouveaux solveurs de Riemann, les reconstructions d'ordre élevés implémentées dans le cadre de cette thèse. Ces protocoles sont appliqués sur des turbulences 2D et nous ont permis de choisir les couples de solveur de Riemann et de reconstructions d'ordre élevé pour réduire le coût de calcul des simulations tout en gardant une bonne précision pour la description des phénomènes étudiés
The aim of this thesis is to develop a simulation code for the design of atmospheric reentry vehicles. The code used is an immersed boundary code, which considerably reduces the time required to generate complex meshes. Several implementations within the code reduce computation time while increasing accuracy. The study of complex phenomena developing around simulated objects will be aided by topological analysis, helping in the choice of numerical method to be used. From a numerical point of view, the design of an atmospheric reentry vehicle for its aerothermal performance often relies on computational codes using averaged Navier-Stokes equations (RANS) and body-fitted structured meshes. These two technologies enable us to obtain an averaged representation of the phenomena in a reasonable time. However, the use of an averaged field implies less control over the maximum stresses that could be applied to the vehicle, and the generation of these body-fitted meshes is extremely time-consuming. From a visualization point of view, traditional analysis methods are based on flow geometry and field-averaged quantities. Due to high Mach and Reynolds numbers and the geometric complexity of flows, these methods are often pushed to the limits of their applicability, or even rendered obsolete for vortex segmentation and comparison. The aim of this thesis is to provide some answers to the above-mentioned numerical and scientific visualization concerns. To improve immersed boundary methods, new Riemann solvers and high-order reconstruction schemes such as TENO and WENO have been integrated within a Direct Numerical Simulation (DNS) code. To reduce the mesh cost of DNS simulations, the Wall-Adapting Local Eddy-Viscosity (WALE) subgrid-scale model has been implemented. This model able Large Eddy Simulation (LES) to be carried out. In these simulations, the larger vortices are computed and the smaller ones modeled. Boundary layer capture, i.e. aerodynamic and thermal effects at the vehicle wall, is investigated by proposing wall models for hypersonic flows. These wall models will make it possible to reduce the number of cells and thus the computational cost of modeling the boundary layer. Topological data analysis is a particularly interesting emerging approach to apprehend the quantity and complexity of data generated in aerodynamics. This field, born of computer science and applied mathematics, proposes to extract, measure and compare structural information hidden within large volumes of complex data. Based on projection and dimension reduction techniques, these approaches extract features from data that are difficult to identify in geometric space, and complement the functionalities of high-performance visualization software such as Paraview. Topological analysis protocols have been proposed to compare and validate the new Riemann solvers and high-order reconstructions implemented in this thesis. These protocols have been applied to 2D turbulence, and have enabled us to select pairs of Riemann solvers and high-order reconstructions to reduce the computational cost of simulations while maintaining good accuracy in describing the phenomena studied

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Hovnanian, Jessica. "Méthode de frontières immergées pour la mécanique des fluides : application à la simulation de la nage." Phd thesis, Université Sciences et Technologies - Bordeaux I, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00835013.

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Abstract:

Nous nous interessons à la modélisation des interactions fluide-structure entre un fluide visqueux incompressible et une structure pouvant être déformable. Apres une approche des méthodes de type frontière immergée existantes, nous présentons une nouvelle approche : la méthode IPC (Image Point Correction) que nous validons ensuite sur différents cas tests. Puis, nous l'appliquons à la simulation 2D puis 3D de la nage d'un poisson grâce à une reconstruction utilisant l'outil du squelette.

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Durrenberger, Daniel. "NSIBM : un solveur parallèle de Navier-Stokes avec raffinement automatique basé sur la méthode des frontières immergées." Thesis, Strasbourg, 2015. http://www.theses.fr/2015STRAD049/document.

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Abstract:

Cette thèse, intitulée NSIBM : un solveur parallèle de Navier-Stokes avec raffinement automatique basé sur la méthode des frontières immergées, a été effectuée au sein du laboratoire iCube, département de mécanique, à Strasbourg, dans le quartier de l'Orangerie, sous la direction du professeur Yannick Hoarau. L'essentiel du travail effectué consiste en le développement d'un programme capable de résoudre numériquement l'équation de Navier-Stokes qui régit des fluides en mouvement. Une attention particulière a été portée à la production de maillages conformes aux géométries proposées et à leur génération. Les moyens mis en œuvre ici pour gérer l'éternel problème de la finesse du maillage opposée au trop grand nombre de cellules sont multiples : le raffinement, la parallélisation et les frontières immergées. Dans un premier temps, j'ai conçu un générateur de maillage en deux et trois dimensions en y intégrant la possibilité de diviser des cellules, et cela de manière automatique, par des critères géométriques, numériques ou physiques. Il permet également de supprimer des cellules, de manière à ne pas mailler le vide ou les parties solides de la géométrie.Dans un deuxième temps, j'ai rendu ce code parallèle en lui donnant la capacité d'utiliser plusieurs processeurs, afin de calculer plus vite et donc d'utiliser davantage de mailles. Cette étape fait appel à deux technologies : Metis, qui partage équitablement les mailles sur le nombre choisi de processeurs et OpenMPI, qui est l'interface de communication entre ces processeurs. Enfin, la méthode des frontières immergées a été introduite au code pour gérer les bords non verticaux ou horizontaux dans un maillage cartésien, c'est-à-dire formé de rectangles ou de pavés droits. Elle consiste à donner un caractère hybride à une cellule traversée par une frontière par l'introduction d'un terme numérique de forçage simulant la présence de la paroi.Ce travail de développement a ensuite été mis à l'épreuve et validé dans une série de cas tests en deux comme en trois dimensions. Des exemples de maillages complexes générés facilement sont donnés
This thesis, entitled NSIBM: a parallel Navier-Stokes solver with automatic mesh refinement based on immersed boundary method, has been conducted within the iCube laboratory dedicated to mechanics and located in Strasbourg. It has been supervised by Professor Yannick Hoarau. This work mainly deals with coding a program able to solve the Navier-Stokes equations that governs moving fluids, in a numerical way. Particular attention was paid to the production of meshes that suit given geometries and their generation.The means used here to handle the eternal problem of the fineness of the mesh opposed to too many cells are several~:refinement, parallelization and the immersed boundary method.Initially, I designed a two and three-dimensional mesh generator that includes the possibility of dividing cells,in an automatic way, by geometrical, numerical or physical criteria. It also allows to remove cells, where there is no point keeping it. Secondly, I parallelized the program by giving him the ability to use multiple processors to calculate faster and therefore use bigger meshes.This step uses two available libraries~: \textit{Metis}, which gives a optimal mesh partition, and \textit{openMPI}, which deals with communication between nodes. Finally, the immersed boundary method has been implemented to handle non-vertical or non-horizontal edges in a cartesian grid. Its principle is to confer a hybrid status to a cell which is crossed by an edge by adding a numerical force term simulating the presence of the boundary. This development work was then tested and validated in a serie of test cases in two and three dimensions. Examples of complex meshes easily generated are given

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Pepona, Marianna. "Modèle de frontières immergées pour la simulation d'écoulements de fluide en interaction avec des structures poreuses." Thesis, Aix-Marseille, 2016. http://www.theses.fr/2016AIXM4349/document.

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Abstract:

Un large spectre d’applications en ingénierie est concerné par les écoulements de fluides en interaction avec des structures poreuses, allant de problèmes à petite échelle jusqu’à des problématiques de plus grande échelle. Ces structures poreuses, souvent à géométries complexes, peuvent se déplacer ou se déformer en réponse au forçage exercé par l’écoulement environnant.Le but de ce travail est de proposer un modèle numérique pour la simulation macroscopique d’écoulements de fluide interagissant avec des milieux poreux mobiles à géométries complexes, qui soit facile d’implémentation et pouvant être utilisé dans une large gamme d’applications. Pour atteindre cet objectif, la méthode de Lattice Boltzmann est utilisée pour résoudre l’écoulement dans des milieux poreux à l’échelle d’un volume représentatif élémentaire. Pour l’implémentation du mouvement désiré, le concept de frontières immergées est adopté. Dans ce contexte, un nouveau modèle est proposé pour traiter des milieux poreux en volume, dont la résistance à l’écoulement environnant est modélisé par la loi de Brinkman-Forchheimer-Darcy étendue.L’algorithme est d’abord testé sur l’écoulement à travers un cylindre fixe. La simplicité de ce cas test académique permet de caractériser finement la précision de la méthode. Le modèle est ensuite utilisé pour simuler des écoulements de fluide autour et à travers des corps poreux mobiles, à la fois pour des géométries confinées et pour des écoulements ouverts. L’invariance Galiléenne des équations moyennées macroscopiques gouvernant la dynamique du fluide est démontrée. D’excellents accords avec les résultats de référence sont obtenus pour les différents cas testés
A wide spectrum of engineering problems is concerned with fluid flows in interaction with porous structures, ranging from small length-scale problems to large ones. These structures, often of complex geometry, may move/deform in response to the forces exerted by the surrounding flow. Despite the advancements in computational fluid dynamics, the numerical simulation of such configurations - a valuable tool for the study of the flow physics involved - remains a challenging task.The aim of the present work is to propose a numerical model for the macroscopic simulation of fluid flows interacting with moving porous media of complex geometry, that is easy to implement and can be used in a range of applications. To achieve this, the Lattice Boltzmann method is employed for solving the flow in porous media at the representative elementary volume scale. For the implementation of the desired body motion, the concept of the Immersed Boundary method is adopted. In this context, a novel model is proposed for dealing with moving volumetric porous media, whose resistance to the surrounding flow obeys the Brinkman-Forchheimer-extended Darcy law. The algorithm is initially tested for flow past a static cylinder. The simplicity of this academic test case allows us to assess in detail the accuracy of the proposed method. The model is later used to simulate fluid flows around and through moving porous bodies, both in a confined geometry and in open space. We are able to demonstrate the Galilean invariance of the macroscopic volume-averaged flow governing equations. Excellent agreement with reference results is obtained in all cases

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Noël, Emeline. "Simulation numérique directe d'écoulements à l'aide d'une méthode de frontière immergée." Phd thesis, INSA de Rouen, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00845203.

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Abstract:

Les travaux menés, depuis plusieurs années, au CORIA ont abouti à la construction d'un outil numérique (ARCHER) permettant la simulation numérique directe d'écoulements diphasiques et notamment l'atomisation d'un jet liquide à haute vitesse. Ce type de simulation permet de capturer les phénomènes d'atomisation au voisinage de l'injecteur difficilement caractérisables par les outils expérimentaux actuels. Ces simulations requièrent des conditions d'injection délicates à évaluer a priori car elles dépendent des caractéristiques de l'écoulement au sein de l'injecteur. Or, certains jets présentent une grande sensibilité à ces conditions d'injection. Dès lors, il est nécessaire de simuler l'écoulement au sein de l'injecteur afin d'appréhender la nature de cette sensibilité. L'utilisation d'un maillage cartésien par le code ARCHER conjuguée à la volonté de simuler le système d'atomisation dans son ensemble ont orienté ces travaux vers l'utilisation d'une méthode de frontière immergée. Ces travaux ont ainsi permis de reproduire des écoulements au sein d'injecteurs de forme quelconque tout en conservant le maillage cartésien d'origine, précieux tant pour l'efficacité du solveur que pour sa précision. Dans un premier temps, l'implantation dans le code ARCHER d'une méthode de frontière immergée a été réalisée et testée sur des configurations de canal et de conduite et de l'écoulement autour d'un cylindre. L'application de cette méthode a porté sur la simulation de l'écoulement au sein d'un injecteur triple disque mono-trou et a notamment permis de caractériser l'origine de l'écoulement secondaire formé dans l'orifice de décharge. Afin d'évoluer vers la construction d'un outil numérique capable de simuler le système d'atomisation dans son ensemble, un couplage entre la méthode de frontière immergée et la méthode Ghost fluid a été nécessaire. La version bi-dimensionnelle développée a été testée sur la relaxation d'une goutte posée sur une paroi. Cette version a permis de simuler des écoulements au sein de canaux à différents rapports de longueur sur diamètre et l'écoulement au sein d'une buse convergente. La simulation simultanée de l'écoulement interne et externe a permis de lier les fluctuations de vitesses des écoulements internes à la création de surface engendrée sur les écoulements externes.

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Noël, Emeline. "Simulation numérique directe d’écoulements à l’aide d’une méthode de frontière immergée." Thesis, Rouen, INSA, 2012. http://www.theses.fr/2012ISAM0020/document.

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Abstract:

Les travaux menés, depuis plusieurs années, au CORIA ont abouti à la construction d’un outil numérique (ARCHER) permettant la simulation numérique directe d’écoulements diphasiques et notamment l’atomisation d’un jet liquide à haute vitesse. Ce type de simulation permet de capturer les phénomènes d’atomisation au voisinage de l’injecteur difficilement caractérisables par les outils expérimentaux actuels. Ces simulations requièrent des conditions d’injection délicates à évaluer a priori car elles dépendent des caractéristiques de l’écoulement au sein de l’injecteur. Or, certains jets présentent une grande sensibilité à ces conditions d’injection. Dès lors, il est nécessaire de simuler l’écoulement au sein de l’injecteur afin d’appréhender la nature de cette sensibilité. L’utilisation d’un maillage cartésien par le code ARCHER conjuguée à la volonté de simuler le système d’atomisation dans son ensemble ont orienté ces travaux vers l’utilisation d’une méthode de frontière immergée. Ces travaux ont ainsi permis de reproduire des écoulements au sein d’injecteurs de forme quelconque tout en conservant le maillage cartésien d’origine, précieux tant pour l’efficacité du solveur que pour sa précision. Dans un premier temps, l’implantation dans le code ARCHER d’une méthode de frontière immergée a été réalisée et testée sur des configurations de canal et de conduite et de l’écoulement autour d’un cylindre. L’application de cette méthode a porté sur la simulation de l’écoulement au sein d’un injecteur triple disque mono-trou et a notamment permis de caractériser l’origine de l’écoulement secondaire formé dans l’orifice de décharge. Afin d’évoluer vers la construction d’un outil numérique capable de simuler le système d’atomisation dans son ensemble, un couplage entre la méthode de frontière immergée et la méthode Ghost fluid a été nécessaire. La version bi-dimensionnelle développée a été testée sur la relaxation d’une goutte posée sur une paroi. Cette version a permis de simuler des écoulements au sein de canaux à différents rapports de longueur sur diamètre et l’écoulement au sein d’une buse convergente. La simulation simultanée de l’écoulement interne et externe a permis de lier les fluctuations de vitesses des écoulements internes à la création de surface engendrée sur les écoulements externes
Since several years, the research conducted at the CORIA laboratory led to the development of a numerical tool (ARCHER) alllowing direct numerical simulations of two phase flows. In particular, the simulations of high speed liquid jet primary break-up have been strongly investigated. These simulations are able to capture primary break-up phenomena near the nozzle exit where experimental characterisations are difficult to conduct. These simulations need injection conditions tricky to gauge a priori, since they depend on the flow characteristics inside the nozzle. Moreover, some jets are highly sensitive to these injection conditions. Therefore, it becomes necessary to simulate the flow inside the nozzle to better understand this sensitive nature. The objective to simulate the whole atomization system guided the present work dedicated to the use of an immersed boundary method (IBM). Such an approach allows reproducing flows inside nozzles of arbitrary shape while keeping the original cartesian mesh valuable for numerical efficiency and accuracy. As a first step, the implementation of an IBM in ARCHER was carried out and tested on channels, pipes and uniform flows past a circular cylinder. An industrial application focused on the flow inside a triple disk compound injector. This work led to a refined description of the secondary flow origin in the discharge hole. In order to move towards the design of a numerical tool able to simulate the whole injection system, a coupling between IBM and the Ghost Fluid Method (GFM) has been found necessary. This allows accounting for two phase flows inside the nozzle where the dynamics of the triple line has to be considered. The bidimensional developments have been tested on drops released on walls. This version enabled to simulate flows inside channels with different ratios of length over diameter and the flow inside a convergent nozzle. The simultaneous computation of flows inside and outside nozzle has enabled to link the velocity fluctuations of internals flows to the surface setting-up gene-rated on external flows

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Merlin, Cindy. "Simulation numérique de la combustion turbulente : Méthode de frontières immergées pour les écoulements compressibles, application à la combustion en aval d'une cavité." Phd thesis, INSA de Rouen, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00782978.

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Abstract:

Une méthode de frontières immergées est développée pour la simulation d'écoulements compressibles et validée au travers de cas-tests spécifiques (réflexion d'ondes acoustiques et quantification de la conservation de la masse dans des canaux inclinés). La simulation aux grandes échelles (LES) d'une cavité transsonique est ensuite présentée. Le bouclage aéro-acoustique, très sensible aux conditions aux limites, est reproduit avec précision par la LES dans le cas où les parois sont immergées dans un maillage structurée. La comparaison des stratégies de modélisation de sous-maille pour cet écoulement transsonique et l'adaptation des filtres en présence de frontières immergées sont également discutées. Le rôle, souvent sous-estimé, du schéma de viscosité artificiel, est quantifié.Dans la dernière partie du manuscrit, des études sont réalisées pour aider au dimensionnement d'un nouveau concept de chambre de combustion où la flamme est stabilisée par la recirculation de gaz brûlés dans une cavité (chambre TVC pour Trapped Vortex Combustor). La modélisation de la combustion turbulente est basée sur une chimie tabulée, couplée à une fonction densité de probabilité présumée (PCM-FPI). L'étude de la dynamique de la flamme est réalisée pour diverses conditions de fonctionnement (débit de l'écoulement principal et présence ou non d'un swirl). Les spécificités de mise en œuvre de la simulation d'un écoulement de ce type sont discutées et un soin particulier est apporté au traitement de la condition de sortie, qui constitue un point sensible de la chaîne de modélisation. Les phénomènes d'instabilités et de retour de la flamme sont mis en évidence ainsi que les modifications à apporter au dispositif afin de minimiser ces effets. L'existence d'un cycle limite acoustique est souligné et une formule permettant d'anticiper le niveau des fluctuations de pression est proposée et validée. Une correction au modèle PCM-FPI est présentée afin de préserver la vitesse de flamme et d'assurer une reproduction plus précise de la dynamique de flamme.

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Merlin, Cindy. "Simulation numérique de la combustion turbulente : Méthode de frontières immergées pour les écoulements compressibles, application à la combustion en aval d’une cavité." Thesis, Rouen, INSA, 2011. http://www.theses.fr/2011ISAM0020/document.

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Abstract:

Une méthode de frontières immergées est développée pour la simulation d’écoulements compressibles et validée au travers de cas-tests spécifiques (réflexion d’ondes acoustiques et quantification de la conservation de la masse dans des canaux inclinés). La simulation aux grandes échelles (LES) d’une cavité transsonique est ensuite présentée. Le bouclage aéro-acoustique, très sensible aux conditions aux limites, est reproduit avec précision par la LES dans le cas où les parois sont immergées dans un maillage structurée. La comparaison des stratégies de modélisation de sous-maille pour cet écoulement transsonique et l’adaptation des filtres en présence de frontières immergées sont également discutées. Le rôle, souvent sous-estimé, du schéma de viscosité artificiel, est quantifié.Dans la dernière partie du manuscrit, des études sont réalisées pour aider au dimensionnement d’un nouveau concept de chambre de combustion où la flamme est stabilisée par la recirculation de gaz brûlés dans une cavité (chambre TVC pour Trapped Vortex Combustor). La modélisation de la combustion turbulente est basée sur une chimie tabulée, couplée à une fonction densité de probabilité présumée (PCM-FPI). L’étude de la dynamique de la flamme est réalisée pour diverses conditions de fonctionnement (débit de l’écoulement principal et présence ou non d’un swirl). Les spécificités de mise en œuvre de la simulation d’un écoulement de ce type sont discutées et un soin particulier est apporté au traitement de la condition de sortie, qui constitue un point sensible de la chaîne de modélisation. Les phénomènes d’instabilités et de retour de la flamme sont mis en évidence ainsi que les modifications à apporter au dispositif afin de minimiser ces effets. L’existence d’un cycle limite acoustique est souligné et une formule permettant d’anticiper le niveau des fluctuations de pression est proposée et validée. Une correction au modèle PCM-FPI est présentée afin de préserver la vitesse de flamme et d’assurer une reproduction plus précise de la dynamique de flamme
An immersed boundary method has been developed for the simulation of compressible flow and validated with reference test cases (pressure wave reflection and quantification of mass conservation for various inclined channels). Large Eddy Simulation (LES) of a transonic cavity is then presented. The aeroacoustic feedback loop, which is highly sensitive to the boundary conditions, was accurately reproduced where the walls are immersed inside a structured grid. The comparison between the modeling approaches for this transonic flow and the correction of the filtering operation near immersed boundaries are also discussed. The often underestimated role of the numerical artificial dissipation is also quantified.In the last part of this manuscript, many studies are realized to help in the design of a new combustion chamber for Trapped Vortex Combustor (TVC). The turbulent combustion model is based on tabulated chemistry and a presumed probability density function (PCM-FPI) method.The flame dynamics is studied for various operating conditions (flowrate of the main flow and presence of swirl motion). Details concerning the realization of such a flow are discussed and special care is taken for the treatment of the most sensitive outlet boundary condition. The phenomena of combustion instabilities and of flame backflow are highlighted along with the modifications to be made for the device to minimize these effects. The existence of a acoustic limit cycle is emphasized and a formula is proposed and validated to anticipate the level of pressure fluctuations. Finally a correction to the PCM-FPI model is suggested to preserve the flame front speed and to ensure a more accurate description of the flame dynamics

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Luu, Hong Quan. "Caractérisation numérique couplée fluide-aérothermique/structure dédiée à partir de techniques aux frontières immergées." Phd thesis, ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechique - Poitiers, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00957783.

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Abstract:

La caractérisation des mécanismes de transfert entre un écoulement fluide incompressible et une structure solide constitue l'objectif principal de ce présent mémoire. A partir d'un solveur développé au sein de l'équipe, les travaux se sont plus particulièrement focalisés sur les stratégies de couplage avec un solveur solide, afin de traiter à la fois les échanges énergétiques et les mouvements de la structure. Dans notre approche, le modèle traitant la partie solide est le solveur ASTER et une attention particulière a été portée sur la stratégie de couplage à mettre en place.Dans la partie couplage fluide/structure, des cas de référence ont été réalisés avec une complexité croissante et l'intégration de la problématique des frontières immergées a été étudiée. En effet, alors que la modélisation avec des frontières immergées semble ne pas perturber les traitements côté fluide, les changements d'état de la topologie induit par le mouvement du solide dans le domaine de calcul génèrent des discontinuités dans les forces fluides estimées sur la structure. Ces dernières peuvent être plus ou moins amorties par l'introduction de techniques hybrides dans les traitements aux frontières immergées.Malgré ses quelques limitations, le solveur est capable de traiter de grande déformation assurant un fonctionne robuste et rapide pour la caractérisation des mécanismes fortement couplés. Pour le souligner, une application sur des écoulements anisothermes au sein d'une cavité représentant une cellule frigorifique a été réalisée dans le cadre du projet de recherche OSEO. A notre connaissance, les traitements réalisés ont pour la première fois permis de quantifier l'effet des ouvrants (dans les phases d'ouverture et fermeture des portes de la cellule) sur les écoulements et les échanges thermiques. Une telle modélisation permet alors de proposer des améliorations de la géométrie en cours d'analyse.

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Monasse, Laurent. "Analyse d'une méthode de couplage entre un fluide compressible et une structure déformable." Phd thesis, Université Paris-Est, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00658152.

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Abstract:

Dans cette thèse, nous avons étudié la simulation numérique des phénomènes d'interaction fluide-structure entre un fluide compressible et une structure déformable. En particulier, nous nous sommes intéressés au couplage par une approche partitionnée entre une méthode de Volumes Finis pour résoudre les équations de la mécanique des fl uides compressibles et une méthode d'Éléments discrets pour le solide, capable de prendre en compte la fissuration. La revue des méthodes existantes de domaines fictifs ainsi que des algorithmes partitionnés couramment utilisés pour le couplage conduit à choisir une méthode de frontières immergées conservative et un schéma de couplage explicite. Il est établi que la méthode d'Éléments Discrets utilisée permet de retrouver le comportement macroscopique du matériau et que le schéma symplectique employé assure la préservation de l'énergie du solide. Puis nous avons développé un algorithme de couplage explicite entre un fluide compressible non-visqueux et un solide indéformable. Nous avons montré des propriétés de conservation exacte de masse, de quantité de mouvement et d'énergie du système ainsi que de consistance du schéma de couplage. Cet algorithme a été étendu au couplage avec un solide déformable, sous la forme d'un schéma semi-implicite. Cette méthode a été appliquée à l'étude de problèmes d'écoulements non-visqueux autour de structures mobiles : les comparaisons avec des résultats numériques et expérimentaux existants démontrent la très bonne précision de notre méthode.

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Cheny, Yoann. "La méthode LS-STAG : une nouvelle approche de type frontière immergée/level-set pour la simulation d'écoulements visqueux incompressibles en géométries complexes : Application aux fluides newtoniens et viscoélastiques." Thesis, Nancy 1, 2009. http://www.theses.fr/2009NAN10052/document.

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Abstract:

Nous présentons une nouvelle méthode de type frontière immergée (immersed boundary method, ou méthode IB) pour le calcul d'écoulements visqueux incompressibles en géométries irrégulières. Dans les méthodes IB , la frontière irrégulière de la géométrie n'est pas alignée avec la grille de calcul, et le point crucial de leur développement demeure le traitement numérique des cellules fluides qui sont coupées par la frontière irrégulière, appelées cut-cells. La partie dédiée à la résolution des équations de Navier-Stokes de notre méthode IB, appelée méthode LS-STAG , repose sur la méthode MAC pour grilles cartésiennes décalées, et sur l'utilisation d'une fonction de distance signée (la fonction level-set ) pour représenter précisément les frontières irrégulières du domaine. L'examen discret des lois globales de conservation de l'écoulement (masse, quantité de mouvement et énergie cinétique) a permis de bâtir une discrétisation unifiée des équations de Navier-Stokes dans les cellules cartésiennes et les cut-cells . Cette discrétisation a notamment la propriété de préserver la structure à 5 points du stencil original et conduit à une méthode extrêmement efficace sur le plan du temps de calcul en comparaison à un solveur non-structuré. La précision de la méthode est évaluée pour l'écoulement de Taylor-Couette et sa robustesse éprouvée par l'étude de divers écoulements instationnaires, notamment autour d'objets profilés. Le champ d'application de notre solveur Newtonien s'étend au cas d'écoulements en présence de géométries mobiles, et la méthode LS-STAG s'avère être un outil prometteur puisqu'affranchie des étapes systématiques (et coûteuses) de remaillage du domaine. Finalement, la première application d'une méthode IB au calcul d'écoulements de fluides viscoélastiques est présentée. La discrétisation de la loi constitutive est basée sur la méthode LS-STAG et sur l'utilisation d'un arrangement totalement décalé des variables dans tout le domaine assurant le couplage fort requis entre les variables hydrodynamiques et les composantes du tenseur des contraintes élastiques. La méthode est appliquée au fluide d'Oldroyd-B en écoulement dans une contraction plane 4:1 à coins arrondis
This thesis concerns the development of a new Cartesian grid / immersed boundary (IB) method for the computation of incompressible viscous flows in two-dimensional irregular geometries. In IB methods, the computational grid is not aligned with the irregular boundary, and of upmost importance for accuracy and stability is the discretization in cells which are cut by the boundary, the so-called ``cut-cells''. In this thesis, we present a new IB method, called the LS-STAG method, which is based on the MAC method for staggered Cartesian grids and where the irregular boundary is sharply represented by its level-set function. This implicit representation of the immersed boundary enables us to calculate efficiently the geometry parameters of the cut-cells. We have achieved a novel discretization of the fluxes in the cut-cells by enforcing the strict conservation of total mass, momentum and kinetic energy at the discrete level. Our discretization in the cut-cells is consistent with the MAC discretization used in Cartesian fluid cells, and has the ability to preserve the 5-point Cartesian structure of the stencil, resulting in a highly computationally efficient method. The accuracy and robustness of our method is assessed on canonical flows at low to moderate Reynolds number~: Taylor Couette flow, flows past a circular cylinder, including the case where the cylinder has forced oscillatory rotations. We extend the \em LS-STAG \em method to the handling of moving immersed boundaries and present some results for the transversely oscillating cylinder flow in a free-stream. Finally, we present the first IB method that handles flows of viscoelastic fluids. The discretization of the constitutive law equation is based on the \em LS-STAG \em method and on the use of a fully staggered arrangement of unknowns, which ensures a strong coupling between all flow variables in the whole domain. The resulting method is applied to the flow of an Oldroyd-B fluid in a 4:1 planar contraction with rounded corner

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Morente, Antoine. "Développement d'une méthode de pénalisation pour la simulation d'écoulements liquide-bulles." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2017. http://oatao.univ-toulouse.fr/19922/1/MORENTE_Antoine.pdf.

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Abstract:

Ce travail est dédié au développement d'une méthode numérique pour la simulation des écoulements liquide-bulles. La présence des bulles dans l'écoulement visqueux et incompressible est prise en compte via une méthode de pénalisation. Dans cette représentation Euler-Lagrange, les bulles supposées indéformables et parfaitement sphériques sont assimilées à des objets pénalisés interagissant avec le fluide. Une méthode VOF (Volume Of Fluid) est employée pour le suivi de la fonction de phase. Une adaptation de la discrétisation des équations de Navier-Stokes est proposée afin d'imposer la condition de glissement à l'interface entre le liquide et les bulles. Une méthode de couplage entre le mouvement des bulles et l'action du liquide est proposée. La stratégie de validation est la suivante. Dans un premier temps, une série de cas-tests est proposée; les objets pénalisés sont supposés en non-interaction avec le fluide. L'étude permet d'exhiber la convergence et la précision de la méthode numérique. Dans un second temps le couplage est testé via deux types de configurations de validation. Le couplage est d'abord testé en configuration de bulle isolée, pour une bulle en ascension dans un liquide au repos pour les Reynolds Re=17 and Re=71. Les résultats sont comparés avec la théorie établie par la corrélation de Mei pour les bulles sphériques propres décrivant intégralement la dynamique de la bulle. Enfin, des simulations en configurations de nuage de bulles sont présentées, pour des populations mono- et bidisperses dans un domaine entièrement périodique pour des taux de vide s'établissant entre 1% et 15%. Les statistiques fournies par les simulations caractérisant l'agitation induite par les bulles sont comparées à des résultats expérimentaux. Pour les simulations de nuages de bulles bidisperses, de nouveaux résultats sont présentés.

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Sarkis, Bruno. "Étude numérique de la relaxation de capsules confinées par couplage des méthodes Volumes Finis - Éléments Finis via la méthode des frontières immergées IBM : influence de l'inertie et du degré de confinement." Thesis, Sorbonne université, 2018. http://www.theses.fr/2018SORUS184/document.

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Abstract:

Les capsules, formées d’une goutte protégée par une membrane élastique, sont très présentes naturellement et dans diverses applications industrielles, mais peu d’études ont exploré les phénomènes transitoires de leur relaxation. L’objectif est d’étudier l’influence de l’inertie et du confinement sur la relaxation d’une capsule sphérique (1) pré-déformée en ellipsoïde et relâchée dans un canal carré où le fluide est au repos, (2) sous écoulement dans un canal carré à expansion soudaine (‘marche’). La capsule est modélisée comme un fluide Newtonien dans une membrane hyper-élastique sans épaisseur ni viscosité, et simulée en couplant les méthodes Volumes Finis - Eléments Finis - frontières immergées. Sa relaxation dans un fluide au repos comporte 3 phases : amorçage du mouvement du fluide, phases rapide puis lente de rétraction de la membrane. Trois régimes existent selon le rapport de confinement et le rapport des nombres de Reynolds et capillaire : amortissements pur, critique ou oscillant. Un modèle de Kelvin-Voigt inertiel est proposé pour prédire les temps de réponse et aussi appliqué à une capsule en écoulement dans le canal microfluidique avec marche. La comparaison aux simulations 3D montre sa pertinence aux temps courts de la relaxation. Ces travaux ouvrent la voie à l’étude d’écoulements transitoires de capsules confinées dans des systèmes microfluidiques complexes
Capsules, made of a drop protected by an elastic membrane, are widly present in nature and in diverse industrial applications, but few studies have explored the transient phenomena governing their relaxation. The objective of the PhD is to study the influence of inertia and confinement on the relaxation of a spherical capsule (1) pre-deformed into an ellipsoid and released in a square channel where the fluid is quiescent, (2) flowing in a square channel with a sudden expansion (‘step’). The capsule is modeled as a Newtonian fluid in a hyperelastic membrane without thickness or viscosity and is simulated coupling the Finite Volume - Finite Element - Immersed Boundary Methods. Its relaxation in a quiescent fluid exhibits three phases: the initiation of the fluid motion, the rapid and then slow retraction phases of the membrane. Three regimes exist depending on the confinement ratio and the Reynolds to capillary number ratio: pure, critical or oscillating damping. A Kelvin-Voigt inertial model is proposed to predict the response time constants and also applied to a capsule flowing in the microfluidic channel with a step. The comparison to 3D simulations shows its relevance at short relaxation times. This work paves the way to the study of transient flows of capsules confined in microfluidic devices

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Mochel, Loïc. "Etude des effets technologiques par des méthodes numériques innovantes sur des configurations de lanceur." Thesis, Paris 6, 2015. http://www.theses.fr/2015PA066059/document.

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Abstract:

Aujourd’hui, l’accès à l’espace constitue un enjeu scientifique, technologique et politique d’importance. Il est primordial de pouvoir garantir le succès de la mise sur orbite des satellites pour un coût de transport minimal. Les lanceurs tels qu’Ariane 5 sont soumis à des fluctuations de pression pouvant induire des efforts instationnaires repris par les vérins du moteur Vulcain. Ces efforts s’exercent notamment dans la zone décollée du culot du lanceur normalement à l’axe de la poussée et sont qualifiés de charges latérales. Du point de vue de la simulation numérique, l’étape de discrétisation des éléments technologiques du lanceur rend la génération de maillages structurés particulièrement complexe. Cette constatation conduit à la présente étude. Dans le but d’évaluer l’influence des effets technologiques sur la prévision des charges latérales pour des configurations réalistes de lanceur, la thématique des frontières immergées est étudiée. L’objectif est de développer une stratégie numérique permettant d’accroître le niveau de complexité de la géométrie considérée tout en conservant la précision des résultats des études antérieures sur des configurations simplifiées. Cette stratégie s’inscrit dans le cadre de simulations numériques ZDES d’écoulements massivement décollés d’arrière-corps, à haut nombre de Reynolds et en régime compressible. Les capacités de la méthodologie développée sont évaluées sur des cas tests numériques canoniques avant d’être éprouvées sur des configurations simplifiées de lanceur. Enfin, l’effet de cette stratégie sur la prévision des charges latérales est étudié
Nowadays, access to space has become a great issue in scientific, technological and political framework. It is essential to ensure the success of the placing of orbiting satellites with a minimal flight cost. Launchers, as the Ariane 5 space launcher, are subject to pressure fluctuations which can lead to unsteady loads on the actuators of the Vulcain engine. These loads occur especially in the separated zone of the launcher base flow and act normally to the thrust axis. They are referred to as side loads. From the numerical simulation perspective, the launcher technological elements discretization process makes the generation of structured mesh particularly difficult. The present study lies within such a framework. In order to assess the influence of the technological effects on the side loads prediction for realistic launcher configurations, immersed boundaries are studied. The aim is to develop a numerical strategy able to increase the level of geometrical complexity of the geometry at stake while maintaining the accuracy of the results of previous studies on simplified configurations. This strategy fits into numerical simulations of ZDES type of separating/reattaching flows at high Reynolds number and compressible regime. The abilities of the methodology are first assessed on canonical numerical test cases. Then, the strategy is applied on simplified launcher configurations. Finally, the effect of this strategy on the side loads prediction is assessed

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Rebeyrotte, Alain. "Contribution à l'étude des effets non-linéaires sur la surface libre au-dessus de corps immergés en mouvement instationnaire." Poitiers, 2003. http://www.theses.fr/2003POIT2277.

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Abstract:

Ce mémoire présente la mise en place d'une méthode des singularités de Rankine pour étudier l'écoulement instationnaire tridimensionnel autour d'un obstacle immergé avec vitesse d'avance. La particularité de notre recherche est de conserver les deux conditions de surface libre non-linéaires. Le principe de cette modélisation temporelle par la méthode Mixte Euler-Lagrange repose sur la connaissance, à chaque pas de temps, du potentiel sur la surface libre et de la position de celle-ci. On résout alors un problème mixte, avec une condition de Neumann sur le corps et de Dirichlet sur cette surface ; l'actualisation du potentiel et de la hauteur de la surface libre est réalisée à l'aide d'un schéma Runge-Kutta 4. La mise en place de cette simulation nécessite la modélisation de la surface libre par un réseau de sources ponctuelles désingularisées, c'est à dire surélevées par rapport à la position réelle du niveau de l'eau. Nous appliquons tout d'abord cette méthode au déplacement transitoire d'un doublet ponctuel immergé sous la surface libre afin de valider les différentes procédures de calcul et de discrétisation. Puis, la méthode est appliquée au mouvement d'un corps ellipsoi͏̈dal sous la surface libre en présence ou non d'un fond. Pour terminer, la méthode est testée sur le cas d'un doublet en giration et sur la génération d'un train d'ondes stationnaires en aval d'un obstacle sinusoi͏̈dal posé sur un fond plat
The aim of this work is to study the nonlinear effects on unsteady flows above a submerged body, and particularly the shape of the free surface. The originality of our research is that we keep the two free surface conditions in their nonlinear formulation. We use a MEL procedure to solve the problem : at each time step we know the potential on the free surface and its position, we then solve a mixed boundary value problem to find the unknown strength of the Rankine singularities. To update the potential and the elevation of the free surface we use a 4th order Runge-Kutta scheme. In order to avoid singular kernel in the integral calculation we use a desingularized technique for the distribution of the singularities on the free surface. First we apply this method to a source-sink pair moving above the free surface to validate the discretisation and calculation procedures. Then we study the motion of a submerged ellipsoid in infinite and shallow water. The end of this work presents the simulation of a source sink-pair in circular motion and the study of the steady wave train generated by a sine-shaped obstacle on a flat bottom in a uniform stream

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Herichon, Eliam. "Modélisation et simulation du déplacement de corps indéformables dans les écoulements diphasiques." Thesis, Aix-Marseille, 2014. http://www.theses.fr/2014AIXM4768.

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Abstract:

Ces travaux portent sur la modélisation et la simulation numérique des effets du déplacement d'un corps indéformable dans un écoulement multiphasique compressible. Ils se placent dans le cas où plusieurs objets sont en mouvement ou dans le cas où un objet est en mouvement dans un milieu aux géométries complexes. L'étude ne peut alors pas être placée dans le référentiel lié à l'objet en mouvement. Le modèle est basé sur une méthode multiphasique à interfaces diffuses où les différentes phases sont en équilibre mécanique. Le système régissant l'écoulement fluide est augmenté d'une équation d'advection. Cette dernière s'applique sur une fonction Level Set dont le niveau zéro permet de localiser le mobile dans l'espace. Des termes de couplage sont ajoutés au membre de droite des équations d'évolution de la quantité de mouvement et de l'énergie totale. Ces termes sont composés d'un facteur du type pénalisation et d'un facteur du type relaxation de vitesses. Cette nouvelle méthode permet de simuler des cas complexes où peuvent interagir des mobiles à hautes vitesses, des ondes de choc et des interfaces liquide/gaz
This work deals with modelling and the numerical simulation of the effects of a moving rigid body on a multiphase flow. Here more than one object is moving, or an object is moving in a complex geometry domain. So the reference frame linked to the moving body can't be used. The model is build on a multiphase diffuse interface method with mechanical equilibrium. An advection equation is added. It applies on a Level Set function used to track the moving body. Coupling terms are added to the momentum equation and to the total energy equation. These terms are made of a penalization factor and a velocity relaxation factor. This new method allows to simulate complex cases where can interact high velocity objects, shock waves and liquid / gas interfaces

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Laizet, Sylvain. "Développement d'un code de calcul combinant des schémas de haute précision avec une méthode de frontières immergées pour la simulation des mouvements tourbillonnaires en aval d'un bord de fuite." Poitiers, 2005. http://www.theses.fr/2005POIT2339.

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Abstract:

La réalisation de simulations des mouvements tourbillonnaires en aval d'un bord de fuite reste une tâche difficile en mécanique des fluides. Des développements numériques ont été réalisés à partir d'un code de calcul résolvant les équations de Navier-Stokes incompressibles à l'aide de schémas aux différences finies de haute précision. L'originalité de l'approche numérique réside dans l'utilisation d'une méthode spectrale pour la résolution de l'équation de Poisson qui combinée à une méthode de frontières immergées permet de simuler des écoulements en présence de parois. Un effort particulier a été fait pour l'amélioration de la résolution de l'équation de Poisson afin d'utiliser un maillage inhomogène et une grille décalée pour le champ de pression. Deux écoulements de couche de mélange avec la prise en compte des parois ont été simulés avec un bord de fuite épais puis mince dans le but de déterminer l'influence de la géométrie de la plaque séparatrice sur la dynamique de l'écoulement
To carry out simulations of the vortex dynamics behind a trailing edge remains a difficult task in fluid mechanics. Numerical development has been performed with a computer code which solves the incompressible Navier-Stokes equations with high order compact finite difference schemes on a Cartesian grid. The specificity of this code is that the Poisson equation is solved in the spectral space with the modified spectral formalism. This code can be combined with an immersed boundary method in order to simulate flows with complex geometry. A particular work was made to improve the resolution of the Poisson equation in order to use a stretched mesh and a staggered grid for the pressure. Two mixing layers flows with a blunt and a bevelled trailing edge were performed in order to determinate the influence of the separating plate's shape on the vortex dynamics

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Monnier, Antoine. "Calcul par la méthode asymptotique numérique des instabilités en interaction fluide-structure." Thesis, Lorient, 2018. http://www.theses.fr/2018LORIS484/document.

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Abstract:

Ce travail de thèse est une contribution à l’analyse de bifurcation des écoulements fluides avec prise en compte des interactions fluide-structure. Les phénomènes d’instabilité en interaction fluide-structure apparaissent dans de nombreux domaines de la vie courante ou industriels comme, par exemple : le flottement d’un drapeau dans le vent ou bien l’écoulement au sein d’échangeurs thermiques sur les sites de production d’énergie, l’écoulement autour des câbles sous-marins pour l’extraction de matières premières ou la fixation des plateformes off-shore, l’écoulement autour des structures aéronautiques ou navales. Dans ces situations, un phénomène complexe de vibration des structures induite par vortex peut se produire. L’objectif de la thèse est de proposer un algorithme permettant l’analyse de stabilité de tels systèmes. Ainsi, le couplage original d’une méthode de perturbation d’ordre élevé (Méthode Asymptotique Numérique - MAN) à une discrétisation spatiale permettant la prise en compte des interactions fluide-structure est proposée. À cet effet, une description purement eulérienne du mouvement est retenue. L’interaction fluide- structure est décrite au moyen d’une méthode de frontières immergées (MFI) à forçage continu (méthode de pénalisation) et discret (méthode Ghost-Cell). La présence d’obstacles au sein de l’écoulement est obtenue au moyen de la méthode de Level-Set. En complément, un intégrateur temporel des équations du mouvement associant la MAN, la MFI et une technique d’homotopie est proposé. L’ensemble de ces algorithmes est appliqué à des problèmes d’écoulement incompressible, à faible nombre de Reynolds, d’un fluide visqueux newtonien en présence d’obstacles solides rigides (fixes ou mobiles). L’analyse de stabilité d’un écoulement dans une conduite avec expansion/contraction soudaine (bifurcation stationnaire), et autour d’un cylindre (bifurcation de Hopf) est traitée. L’analyse transitoire d’un écoulement autour d’un cylindre rigide et mobile est également proposée. Les résultats obtenus permettent d’évaluer la précision et la performance des algorithmes proposés. Ainsi, les résultats de cette thèse permettent de conclure sur le bien-fondé de l’approche et constituent une première étape vers l’analyse de stabilité d’écoulements en présence de structures complexes, représentatifs de situations réelles
This thesis is a first contribution to the bifurcation analysis of fluid flows by taking into account fluid-structure interactions. Instability with fluid-structure interactions appears in many areas of everyday life or industry such as, for example: flag floating in the wind, flow within heat exchangers for energy production, flow around submarine cables for the extraction of raw materials or the fixing of off-shore platforms, flow around aeronautical or naval structures. In these situations, complex vortex-induced vibrations of the structures can occur. The aim of the thesis is to propose an algorithm allowing stability analysis of such systems. Thus, an original coupling of a high order perturbation method (Asymptotic Numerical Method - ANM) to a spatial discretization which takes into account fluid-structure interactions is proposed. For this purpose, a purely Eulerian description of the motion is retained. Fluid-structure interaction is described using an immersed boundary method (IBM) with continuous forcing (penalization method) and discrete (Ghost-Cell method) forcing. The presence of bodies within the flow is obtained by means of the Level-Set method. In addition, a time integrator of the governing equations associating ANM, IBM and homotopy technique is proposed. All these algorithms are applied to analyse incompressible flows, at low Reynolds number, of a Newtonian viscous fluid in the presence of rigid solids (fixed or moving). Bifurcation analysis of flows in a channel with sudden expansion / contraction (stationary bifurcation), or around a cylinder (Hopf bifurcation) are carried out. Transient analysis of a flow around a moving rigid cylinder is also proposed. Our results make it possible to evaluate accuracy and performance of the proposed algorithms. Thus, thesis results allow to conclude on the validity of the proposed approach. Finally, this thesis work constitutes a first step towards flow stability analysis in the presence of complex structures, representative of real situations

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Pierson, Jean-Lou. "Traversée d’une interface entre deux fluides par une sphère." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2015. http://oatao.univ-toulouse.fr/15754/2/Pierson_2_sur_4.pdf.

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Abstract:

Cette thèse a pour objectif de comprendre la dynamique d’une sphère traversant une interface liquide-liquide. Cette situation, se rencontre dans de nombreuses applications, allant du cycle du carbone dans l’océan (sédimentation de neige marine), aux procédés d’enrobage, en passant par la détection de phase dans l’industrie pétrolière. Pour étudier cette configuration, trois approches sont privilégiées. Un dispositif expérimental muni d’une caméra haute fréquence est utilisé de manière à explorer la dynamique conjointe de la sphère et de l’interface sur une large gamme de paramètres. Le couplage entre une méthode Volume of Fluid (VoF) et une méthode de frontières immergées (IBM) est réalisé et validé dans le but de simuler numériquement ce problème. Enfin des modèles théoriques sont mis en place de manière à interpréter physiquement les différents comportements observés. Ces trois démarches complémentaires permettent de caractériser le passage d’une configuration de flottaison à l’entraînement colonnaire notamment en fonction du rapport entre effets gravitationnels et capillaires. La dynamique de la colonne emportée est très riche (instabilité capillaire, visqueuse, fragmentation, ...). Le bon accord entre les expériences et les simulations numériques permet d’évaluer avec confiance l’influence de chaque paramètre sans dimension (au nombre de 5) à l’aide d’une étude paramétrique numérique.

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Moglan, Raluca. "Modeling and numerical simulation of flow and heat phenomena in a telecommunication heat cabinet." Rouen, 2013. http://www.theses.fr/2013ROUES060.

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Abstract:

Nous proposons dans cette étude une nouvelle approche 3D pour la résolution des équations de Navier-Stokes incompressibles sous l’approximation de Boussinesq. La nouveauté du code développé est l’utilisation des méthodes d’ordre élevé pour l’intégration en temps (schéma de Runge-Kutta à l’ordre trois) et pour la discrétisation spatiale (schéma aux différences finies à l’ordre six). Une étude de l’ordre de la méthode numérique a été faite, suivie par une validation détaillée pour plusieurs cas de convection naturelle. Une méthode d’éléments finis été développée pour le même problème, codée avec FreeFem++, et validée pour les mêmes cas de convection naturelle. Nous avons considéré ensuite le cas d’une armoire de télécommunications, modélisée sous la forme d’un domaine rectangulaire, avec des objets (obstacles) intérieurs, représentés par une méthode de type frontière immergée. Cette méthode a été validée par rapport aux cas existants dans la littérature et par rapport aux résultats obtenus avec le code éléments finis (qui représente exactement les obstacles). Nous présentons des résultats pour plusieurs configurations, avec des obstacles chauffants placés différemment à l’intérieur de la cavité. Une comparaison avec les mesures expérimentales effectuées dans une armoire avec deux composantes dissipant de la chaleur est aussi effectuée. Le code de type éléments finis est finalement développé et testé pour simuler des matériaux à changement de phase
In this thesis we present a new 3D approach for solving the incompressible Navier-Stokes equations under the Boussinesq approximation. The advantage of the developed numerical code is the use of high order methods for time integration (3rd order Runge-Kutta method) and spatial discretization (6th order finite difference schemes). A study of the order of the numerical method was made, followed by an extensive validation for several cases of natural convection. A finite element simulation code for the same problem was developed using FreeFem++, and was validated with respect to the same cases of natural convection. The case of a telecommunication cabinet was treated by modelling interior obstacles generating heat using an immersed boundary method. This method was validated with respect to the finite element simulation, and many other cases from the literature. We present the results for different 2D and 3D configurations, with obstacles differently placed inside the cavity. Results are also presented for the comparison with experimental measurements in a cabinet with two components dissipating heat. The finite element code is finally extended and tested to simulate phase change materials that could serve as passive cooling devices

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Gorsse, Yannick. "Approximation numérique sur maillage cartésien de lois de conservation : écoulements compressibles et élasticité non linéaire." Phd thesis, Université Sciences et Technologies - Bordeaux I, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00796722.

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Abstract:

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la simulation numérique d'écoulements compressibles comportant des interfaces. Ces interfaces peuvent séparer un fluide et un solide rigide, deux fluides de lois d'état différentes ou encore un fluide et un solide élastique. Dans un premier temps, nous avons élaboré une méthode de type frontières immergées afin d'imposer une condition de glissement au bord d'un obstacle rigide de manière précise. Nous avons ensuite étudié et validé un schéma de type interface non diffuse pour les écoulements multi-matériaux en vue d'appliquer la méthode de frontières immergées aux solides déformables.

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Constant, Eddy. "Développement d’un solveur de frontières immergées dans OpenFOAM : vers le contrôle des vibrations induites par vortex dans le sillage d’un cylindre." Thesis, Aix-Marseille, 2017. http://www.theses.fr/2017AIXM0637/document.

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Abstract:

Cette thèse s’inscrit dans le contexte de la simulation et du contrôle des vibrations de structures montées sur ressort qui peuvent apparaître sous l’effet de l’interaction avec l’écoulement de sillage instationnaire. Le contrôle de ce phénomène, appelé vibrations induites par vortex (VIV), est un enjeu critique dans l’optimisation de nombreux systèmes. Une méthode de frontières immergées (IBM) a été intégrée dans l’algorithme PISO du code OpenFOAM, dédié à la simulation d’écoulements fluides incompressibles. La méthode IBM permet une représentation précise de corps fixes ou en mouvement, tout en conservant des maillages structurés conduisant à des algorithmes plus précis et efficaces en termes de performances numériques. Pour calculer la divergence de l’équation de quantité de mouvement dans une boucle PISO et l’interpolation des flux, un calcul hybride orignal a été proposé avec une résolution analytique utilisant l’équation de la fonction noyau des quantités impliquant le terme force de l’IBM (quantités singulières). La méthode a été étendu au formalisme d’écoulements en régimes turbulents. Une loi de paroi a été intégrée permettant de modéliser la couche limite à grand nombre de Reynolds. Le travail de validation a été réalisé au regard des données expérimentales et numériques disponibles dans la littérature pour l’étude d’écoulements autour de cylindres et de sphères, sur une large gamme de nombres de Reynolds. Avec l’objectif de développer des lois de contrôle optimal pour le VIV, basées sur les mécanismes d’instabilité linéaire du système couplé dans le cadre de la théorie du contrôle, un solveur adjoint a été développé et validé
This thesis is related to the simulation and the control of the vortex induced vibrations phenomenon (VIV), which can result from the fluid structure interactions between an unsteady wake and the body, when the shedding frequency in the wake is close to the natural frequency of the body. The control of VIV is a critical issue when optimizing many systems. An Immersed Boundaries Method (IBM) was implemented into the PISO algorithm as a new library of OpenFOAM, in order to perform reliable simulations of incompressible flows around bluff bodies.To compute the divergence of the momentum equation and the interpolation of the fluxes, an hybrid calculation with an analytical resolution of the quantities involving the force term (singular quantities) has been proposed. The mesh convergence of several errors was shown by means of a manufactured solution, allowing to analyze both the errors irelated to the discretization and to the IBM. The new algorithm was subsequently extended to the RANS and DDES formalism proposed in OpenFOAM for the simulation of turbulent flows. A wall law was integrated into theIBM method to model the boundary layers that develop around the bodies at large Reynolds numbers. Various 2D and 3D well-documented test cases of academic flows around fixed or moving solid bodies (cylinderand sphere) have been simulated and carefully validated against existing data from the literature in a large range of Reynolds numbers. With the objective of developing optimal control laws for VIV, based on the linear instability mechanisms of the coupled system within the framework of the control theory, a new adjoint solver was also developed and validated in OpenFOAM

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Cherfils, Jean-Marc. "Développements et applications de la méthode SPH aux écoulements visqueux à surface libre." Phd thesis, Université du Havre, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00607041.

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Abstract:

Cette thèse porte sur le développement, la validation et l'application d'un code de calcul numérique à surface libre. Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) est une méthode particulaire,Lagrangienne, imaginée à l'origine pour la simulation de corps gravitaires en Astrophysique. Depuis les années 90, elle a été étendue à la modélisation d'écoulements à surface libre. En effet, lors de grandes déformations des interfaces (déferlement par exemple), l'absence de maillage est particulièrement intéressante. Cette propriété est également intéressante pour la simulation de plusieurs phases liquides aux propriétés différentes (eau/fond sédimentaire par exemple). Les applications visées sont la propagation de la houle et son interaction avec des obstacles immergés. Le modèle SPH a donc été établi en se basant sur la bibliographie et validé sur le cas de l'étirement d'une goutte en l'absence de gravité.Ensuite, la prise en compte de conditions aux limites sur des parois solides est étudiée puis appliquée à l'effondrement d'une colonne d'eau suivi d'un impact sur un mur vertical. Enfin, le modèle est étendu aux écoulements visqueux. Une nouvelle méthode de prise en compte des conditions limites de type adhérence, inspirée des frontières immergées en différences finies, a ainsi été développée. Elle autorise la simulation d'écoulements autour d'objets de formes complexes immergés dans le fluide. Le modèle est finalement appliqué à la propagation de la houle en canal et à son amortissement par une plaque horizontale immergée.

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Badirou, Naïm. "Etude de l'hydrodynamique d'un jet immergé dans un lit de particules." Compiègne, 1992. http://www.theses.fr/1992COMP0467.

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Abstract:

Ce travail porte sur l'étude du comportement hydrodynamique d'un jet de gaz vertical ascendant immergé centralement dans un lit de particules aéré ou fluidisé. Les essais ont été effectués sur une colonne de 320 mm de diamètre contenant des particules de polystyrène de 1,436 mm de diamètre moyen. Le jet issu d'un injecteur de 20,3 mm de diamètre a été caractérisé en mesurant les champs de pression et de vitesse de gaz à l'aide d'une sonde de Pitot alors que son effet sur le lit était observé sur le profil pariétal de pression. Les paramètres de l'étude étaient la vitesse d'aération des parti-cules, la vitesse du jet et accessoirement, la masse de particules dans le lit. Une approche théorique complémentaire a permis de mettre en évidence quelques propriétés de lois de variation axiale des paramètres du jet, lois confirmées par les résultats expérimentaux. Le mécanisme de résorption du jet a pu être mis en évidence
The hydrodynamic behaviour of a vertically upflowing central gas jet immerged in bed of particles aerated or fluidized, is studied. Experiments have been carried out in a 0,32m. I. D. Column containing polystyrene particles with a sauter mean diameter of 1. 436 mm. The jet issuing from a 20. 3 mm I. D. Injector protruding within the bed was characterized by means of the pressure and gas velocity measured using a Pitot probe, while it’s effect on the bed was observed on the wall pressure profiles. The bed aeration gas superficial velocity and jet velocity have been varied as well as, marginally, the bed height. A complementary theoretical approach allowed the determination of the axial trends of variation of characteristic jet parameters which are confirmed by experimental results. A mechanism has been suggested which describes the axial decay of the immerged jet

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Badirou, Naïm. "Etude de l'hydrodynamique d'un jet immergé dans un lit de particules." Compiègne, 1992. http://www.theses.fr/1992COMPD467.

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Abstract:

Ce travail porte sur l'étude du comportement hydrodynamique d'un jet de gaz vertical ascendant immergé centralement dans un lit de particules aéré ou fluidisé. Les essais ont été effectués sur une colonne de 320 mm de diamètre contenant des particules de polystyrène de 1,436 mm de diamètre moyen. Le jet issu d'un injecteur de 20,3 mm de diamètre a été caractérisé en mesurant les champs de pression et de vitesse de gaz à l'aide d'une sonde de Pitot alors que son effet sur le lit était observé sur le profil pariétal de pression. Les paramètres de l'étude étaient la vitesse d'aération des particules, la vitesse du jet et accessoirement, la masse de particules dans le lit. Une approche théorique complémentaire a permis de mettre en évidence quelques propriétés de lois de variation axiale des paramètres du jet, lois confirmées par les résultats expérimentaux. Le mécanisme de résorption du jet a pu être mis en évidence
The hydrodynamic behaviour of a vertically upflowing central gas jet immerged in bed of particles aerated or fluidized, is studied. Experiments have been carried out in a 0,32m. I. D. Column containing polystyrene particles with a sauter mean diameter of 1. 436 mm. The jet issuing from a 20. 3 mm I. D. Injector protruding within the bed was characterized by means of the pressure and gas velocity measured using a Pitot probe, while it’s effect on the bed was observed on the wall pressure profiles. The bed aeration gas superficial velocity and jet velocity have been varied as well as, marginally, the bed height. A complementary theoretical approach allowed the determination of the axial trends of variation of characteristic jet parameters which are confirmed by experimental results. A mechanism has been suggested which describes the axial decay of the immerged jet

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Douteau, Louis. "CFD simulation with anisotropic mesh adaptation : application to floating offshore wind turbines." Thesis, Ecole centrale de Nantes, 2020. http://www.theses.fr/2020ECDN0003.

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Abstract:

Le calcul des performances et des efforts appliqués sur une éolienne offshore est actuellement réalisé à l'aide d’outils basés sur des approches quasi-statiques. Ces approches sont intéressantes pour leur vitesse de calcul, elles sont cependant perfectibles suivant la méthode de mise en oeuvre et suivant les cas de chargement étudiés. Une approche alternative consiste à utiliser la modélisation CFD. Cette thèse s’intéresse à des méthodes d’une haute précision, ayant le potentiel de fournir des écoulements et efforts précis. La plateforme logicielle hautement parallélisée ICI-tech est utilisée dans cette thèse. Elle se base sur une résolution des équations de Navier-Stokes dans une approche multi-échelle, effectuée à l’aide d’éléments finis stabilisés. La représentation des phases dans le domaine de calcul est réalisée grâce à une méthode frontières immergées. Des implémentations ont été réalisées dans ICI-tech afin de pouvoir simuler des éoliennes flottantes. L’interaction fluide-structure et un bassin de houle numérique ont notamment été considérés. Un processus de vérification et validation s’est intéressé au comportement du solveur dans des conditions reproduisant celles impactant des éoliennes flottantes. Le niveau de précision atteint par les écoulements à haut Reynolds et la propagation de champs de houle s’est avéré être décevant. L’influence du maillage anisotrope sur les résultats obtenus a été quantifiée. Plusieurs pistes visant à améliorer la précision des simulations ont été introduites
The simulation of Floating Offshore Wind Turbines (FOWTs) is a tool to help this technology reach an industrial scale. Nowadays, low-precision numerical methods are used for the dimensioning of the structures, as they involve a reduced computational effort. This PhD thesis focused on the development of highly-accurate numerical methods, with a potential to provide a thin description of the flows and efforts around FOWTs. The simulations presented in this thesis have been realized on the highly-parallelized software platform ICI-tech. A resolution of the Navier- Stokes equations in a Variational MultiScale formulation is performed using Stabilized Finite Elements. The representation of the different phases in the computational domain is achieved using immersed boundary methods. Several numerical tools have been implemented in ICItech towards an application to the simulation of FOWTs. A fluid-structure interaction paradigm has been set up, and a numerical wave tank has been defined. Verification and validation studies have been realized to assess the solver results for environmental conditions representative of those observed for operating FOWT. The accuracy achieved for both the aerodynamics at high Reynolds numbers and the propagation of wave fields has been disappointing. The influence of the anisotropic meshing on the results presented has been quantified. Several options aiming at increasing the accuracy of the simulations have been discussed

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Sigüenza, Julien. "Fluid-structure interaction problems involving deformable membranes : application to blood flows at macroscopic and microscopic scales." Thesis, Montpellier, 2016. http://www.theses.fr/2016MONTT301/document.

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Abstract:

Cette thèse traite plusieurs aspects scientifiques inhérents à la simulation numérique de problèmes d'interaction fluide-structure impliquant de fines membranes déformables. Deux cas spécifiques relatifs à la biomécanique cardiovasculaire sont considérés : l'interaction de l'écoulement sanguin avec la valve aortique (qui se produit à l'échelle macroscopique), et l'interaction de la membrane des globules rouges avec ses fluides interne et externe (qui se produit à l'échelle microscopique). Dans les deux cas, le couplage fluide-structure est géré par l'intermédiaire d'un formalisme de frontières immergées, en représentant la membrane par un maillage Lagrangien se mouvant au travers d'un maillage fluide Eulérien. Lorsque l'on traite la dynamique des globules rouges, la membrane est considérée comme étant une structure sans masse et infiniment fine. La première question à laquelle on s'intéresse dans cette thèse est la manière de modéliser la microstructure complexe de la membrane des globules rouges. Un moyen possible pour caractériser un modèle de membrane adapté est de simuler l'expérience des pinces optiques, qui consiste en une configuration expérimentale bien contrôlée qui permet d'étudier la mécanique individuelle d'un globule rouge isolé dans une large gamme de déformations. Plusieurs modèles pertinents sont identifiés, mais les caractéristiques de déformation mesurées durant l'expérience des pinces optiques se révèlent n'être pas assez sélectives pour être utilisées dans un contexte de validation. Des mesures de déformation additionnelles sont proposées, qui pourraient permettre une meilleure caractérisation de la mécanique de la membrane des globules rouges. En ce qui concerne les configurations macroscopiques, une méthode numérique innovante est proposée afin de gérer des simulations numériques de membranes 3D continues, en conservant le formalisme de frontières immergées. Dans cette méthode, appelée méthode des frontières immergées épaisses, la membrane a une épaisseur finie. La précision et la robustesse de la méthode sont démontrées par l'intermédiaire d'une variété de cas tests bien choisis. La méthode proposée est ensuite appliquée à un problème d'interaction fluide-structure réaliste, à savoir l'interaction d'un écoulement (sanguin) pulsé avec une valve aortique biomimétique. Une étude combinée expérimentale et numérique est menée, montrant que la méthode est capable de capturer la dynamique globale de la valve, ainsi que les principales caractéristiques de l'écoulement en aval de la valve. Tous les développements ont été effectués dans le solveur YALES2BIO (http://www.math.univ-montp2.fr/~yales2bio/) développé à l'IMAG, qui est donc disponible pour toutes autres améliorations, validations et études applicatives
This thesis deals with several scientific aspects inherent to the numerical simulation of fluid-structure interaction problems involving thin deformable membranes. Two specific cases relevant to cardiovascular biomechanics are considered: the interaction of the blood flow with the aortic valve (which occurs at the macroscopic scale), and the interaction of the red blood cells membrane with its inner and outer fluids (which occurs at the microscopic scale). In both cases, the fluid-structure interaction coupling is handled using an immersed boundary formalism, representing the membrane by a Lagrangian mesh moving through an Eulerian fluid mesh.When dealing with red blood cells dynamics, the membrane is considered to be an infinitely thin and massless structure. The first question which is addressed in the present thesis work is how to model the complex microstructure of the red blood cells membrane. A possible way to characterize a suitable membrane model is to simulate the optical tweezers experiment, which is a well-controlled experimental configuration enabling to study the individual mechanics of an isolated red blood cell in a large range of deformation. Some relevant membrane models are identified, but the deformation characteristics measured during the optical tweezers experiment reveal to be not selective enough to be used in a validation context. Additional deformation measurements are proposed, which could allow a better characterization of the red blood cell membrane mechanics.Regarding the macroscopic configurations, an innovative numerical method is proposed to handle numerical simulations of 3D continuum membranes, still within the immersed boundary formalism. In this method, called immersed thick boundary method, the membrane has a finite thickness. The accuracy and robustness of the method are demonstrated through a variety of well-chosen test cases. Then, the proposed method is applied to a realistic fluid-structure interaction problem, namely the interaction of a pulsatile (blood) flow with a biomimetic aortic valve. A combined experimental and numerical study is led, showing that the method is able to capture the global dynamics of the valve, as well as the main features of the flow downstream of the valve.All the developments were performed within the YALES2BIO solver (http://www.math.univ-montp2.fr/~yales2bio/) developed at IMAG, which is thus available for further improvements, validations and applicative studies

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Tran, Phu Ho. "Analyse numérique des écoulements internes au sein des moteurs à propergol solide. Vers une prise en compte des mécanismes instationnaires couplés." Thesis, Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique, 2013. http://www.theses.fr/2013ESMA0030/document.

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Abstract:

La caractérisation et la simulation des écoulements internes au sein des moteurs àpropergol solide, en considérant des mécanismes physiques fortement couplés, constituentl’objectif principal de ce mémoire de thèse. Dans cette optique, la conjonction entrefluide/régression de surface/couplage fluide structure a imposé de déployer une stratégiepropre lors du développement de la modélisation numérique. En effet, le modèle intègre untraitement de frontière immergée couplé avec un suivi de frontière mobile afin de pouvoirrendre compte de la formidable variation géométrique interne subie au cours d’un tir. Côtéfluide, un maillage automatique est nécessaire et la gestion de ce dernier s’appuie sur undéveloppement récursif avec structure hiérarchisée de type 2n tree. Une attention particulièrea été portée sur le solveur lui-même avec une approche explicite en temps et un schémanumérique basé sur l’approche de Roe avec limiteur de flux au second ordre. Des cas testsont été réalisés afin de valider le solveur et les différentes conditions aux limites introduites,notamment des conditions spécifiques développées pour les besoins de simulation. Lespremiers résultats soulignent tout l’intérêt du modèle proposé et sauf erreur de notre part,pour la première fois, l’analyse des sources tourbillonnaires responsables des instabilités ausein de ces moteurs a été étudiée en intégrant les effets du changement continu de géométrie.Finalement, la faisabilité d’une interaction forte entre solveur fluide et solveur solide a étéréalisée sur un modèle simplifié d’un moteur segmenté.L’ensemble des développements permet un accès aux mécanismes couplés complexeset aux fortes interactions au sein des moteurs à propergol solide et offre de nouvellesperspectives dans la caractérisation des mécanismes fortement couplés
Characterization and simulation of internaI flow within the solid rocket motors, considering the physicalmechanisms strongly coupled, are the main focus of this thesis objective. In this context, the conjunctionbetween fluid/regression surface/fluid coupling structure imposed deploy c1ean during the development ofnumerical modeling strategy. Indeed, the model incorporates treatment coupled with an immersed boundarytracking moving boundary in order to realize the tremendous internai geometric variation experienced during ashot. Fluid side, an automatic mesh is required and the management of the latter is based on a recursivehierarchical structure development with type 2" tree. Particular attention was paid to the solver itself with anexplicit approach to time and a numerical scheme based on the approach of Roe with flow limiter in the secondorder. Tests cases were conducted to validate the sol ver and different boundary conditions introduced, inc1udingspecific conditions developed for the purpose of simulation. The first results emphasize the interest of theproposed and unless our error model, for the first time, the analysis of the sources responsible vortex instabilitiesin these engines has been studied by incorporating the effects of continuous change in geometry. Finally, thefeasibility of a strong interaction between fluid and solid solver was conducted on a simplified model of a multiengine.AlI the developments allows access to complex mechanisms coupled and strong interactions in solidrocket motors and off ers new insights into the characterization of strongly coupled mechanisms

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Benguigui, William. "Modélisation de la réponse dynamique d’une paroi solide mise en vibration par un écoulement fluide diphasique." Electronic Thesis or Diss., Université Paris-Saclay (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018SACLY014.

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Abstract:

Les tubes des générateurs de vapeur des centrales nucléaires vibrent sous l'effet d'écoulement eau/vapeur. Pour appréhender ce phénomène et le comprendre, des expériences à échelles réduites sont réalisées. La simulation numérique a montré son habilité à reproduire l'interaction fluide-structure sur ce type de géométrie pour des écoulements monophasiques. L'objectif est désormais de faire de même en écoulement diphasique et de caractériser les propriétés physiques du mélange liquide/gaz influant sur la vibration.Pour se faire, un code CFD avec une approche bi-fluide est utilisé. Une méthode dite de "Discrete forcing" est implémentée pour permettre le mouvement imposé de corps solides au sein d'un écoulement à plusieurs phases. Celle-ci est alros validée sur des cas simples et intégraux avec une comparaison systématique à des résultats expérimentaux ou théoriques.En se basant sur un algorithme implicite existant dans la littérature, un couplage fluide-structure utilisant cette méthode de suivi d'interface est implémenté. Validé sur des cas monophasiques et diphasiques, ce couplage offre désormais la possibilité de déplacer un solide en fonction des forces fluides diphasiques qui lui sont appliquées.Les différentes méthodes numériques présentes dans NEPTUNE_CFD sont ensuite évaluées pour un écoulement fréon/fréon au travers d'un faisceau de tubes inclinés. La nécessité d'utiliser des modèles dit "multi-régime" est mis en avant.Afin de déterminer l'influence sur l'écoulement des différentes propriétés physiques d'un mélange diphasique, plusieurs cas simples sont réalisés.Finalement, l'application industrielle cible, un écoulement eau/fréon dans un faisceau de tubes à pas carré, est simulée et comparée à un écoulement en conditions réelles (eau/vapeur à 70 bar). Les vibrations induites par écoulement monophasique puis diphasique sont correctement reproduites sur des cas dit de "faisabilité"
In nuclear power plants, steam generator tubes vibrate because of steam/water cross-flows. In order to understant this phenomenon, reduced-scale experiments are performed. Numerical simulations have shown their ability to accurately reproduce the vibration induced by a single phase flow in a tube bundle. The aim of the present work is to do the same with two-phase flow and to characterize the effect of the mixture physical properties on vibration.To do so, a CFD code based on a two-fluid approach is used. A "discrete forcing" method is implemented in order to allow solid body motion in a two-phase flow. The validation is performed with simple and industrial cases using experimental and theoretical results.Using an existing implicit algorithm, a fluid-structure coupling based on the developed interface tracking method is implemented. Validated for single and two-phase flows, it is now possible to have solid motion induced by fluid forces.The different numerical models dedicated to two-phase flows are then evaluated on a freon/freon flow across an inclined tube bundle. The use of a multi-regime model is required. In order to investigate the role of the different physical properties on the vibration, three simple studies are performed.Finally, the industrial application, a freon/water flow across a square pitch tube bundle, is performed. First, it is compared to a steam/water flow in order to characterize the discrepancies when we are using a modeling mixture. Then, the vibration induced by single- and two-phase flows is reproduced by the developed method on feasibility test cases

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Kiyoshi, Shimote Wilson. "Modélisation des phénomènes d'ablation de l'insert d'une tuyère de moteur-fusée à propergol solide. Approche expérimentale et numérique." Thesis, Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique, 2016. http://www.theses.fr/2016ESMA0028/document.

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Abstract:

L'analyse et la compréhension des mécanismes d'érosion en présence d'un environnement critique au niveau de pression et de température des produits de combustion d'un propergol solide au sein d'une tuyère de moteur fusée, constituent l'objectif principal de ce présent mémoire. Les principaux paramètres, le pourcentage d'aluminium dans l'écoulement, la température adiabatique de flamme.le flux de chaleur en face de la géométrie de l' insert et ses propriétés thermochimiques, sont plus particulièrement étudiés à travers une approche numérique et expérimentale. Le phénomène d'ablation qui se produit au niveau de l' insert d'une tuyère pendant le fonctionnement du moteur propergol solide est ainsi étudié et des résultats d'essais des moteurs à échelle réduite et pleine sont présentés puis simulés numériquement. En effet, les essais mis en place, riches en résultats sur les conditions du matériau de l'insert avant et après le tir, ne permettent pas une analyse complète du développement des mécanismes en jeu au cours du temps de fonctionnement des moteurs. Pour introduire ces phénomènes physiques plutôt complexes, une stratégie de développement progressive est mise en place. Au départ, un modèle 1D a traité les équations de transfert de chaleur utilisant une technique de discrétisation numérique multi-blocs. A partir de la méthode 1D, des expressions simples pour représenter l'évolution des fronts d'ablation et de pyrolyse sont définies.Ces expressions sont alors utilisées de façon directe sur le traitement des problèmes axisymétriques et confrontées avec les simulations du moteur test. Finalement, la méthode aux frontières immergées est appliquée pour traiter du couplage entre l'écoulement et l'insert, mettant en évidence le phénomène d'ablation. Les simulations numériques reproduisent les résultats expérimentaux et montrent une méthodologie numérique robuste, correspondant à des attentes en ce qui concerne l'évaluation du phénomène d'ablation au sein d'une tuyère de moteur fusée
The main objective of this study is understand the ablation mechanisms in the presence of a critical environment in pressure and temperature within a solid propellant rocket motor. The well-known parameters, aluminum percentage in the flow, adiabatic flame temperature and the consequent heat flux in front of the geometry of the insert and its thermochemical properties are studied from anumerical and experimental strategy. The ablation phenomenon, which occurs at the nozzle insert during the operation of the solid propellant rocket motor, is th us studied and results of tests of the small and full-scale motors are presented as well as numerically simulated. Indeed, tests carried-out provide results on the conditions of the material of the insert before and after firing tests, do not allow is to provide a complete analysis of the development of the mechanisms involved during the running time of the engines. To introduce these rather complex physical phenomena a strategy of progressive development is followed. Initially, a 1D model treated the heat transfer equations using a multi-block numerical discretization technique. From the 1D method, simple expressions to represent the evolution of the ablation and pyrolysis fronts are defined. These expressions are then used directly on the treatment of axisymmetric problems and confronted with simulations of the scale motor. Finally, the immersed boundary method is applied to tackle coupling between flow and heat transfer on the insert, highlighting the phenomenon of ablation. The numerical simulations reproduce the experimental results and show a robust numerical methodology, corresponding to expectations in what concerns the evaluation of the ablation phenomenon within a solid propellant rocket motor nozzle

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Benguigui, William. "Modélisation de la réponse dynamique d’une paroi solide mise en vibration par un écoulement fluide diphasique." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018SACLY014/document.

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Les tubes des générateurs de vapeur des centrales nucléaires vibrent sous l'effet d'écoulement eau/vapeur. Pour appréhender ce phénomène et le comprendre, des expériences à échelles réduites sont réalisées. La simulation numérique a montré son habilité à reproduire l'interaction fluide-structure sur ce type de géométrie pour des écoulements monophasiques. L'objectif est désormais de faire de même en écoulement diphasique et de caractériser les propriétés physiques du mélange liquide/gaz influant sur la vibration.Pour se faire, un code CFD avec une approche bi-fluide est utilisé. Une méthode dite de "Discrete forcing" est implémentée pour permettre le mouvement imposé de corps solides au sein d'un écoulement à plusieurs phases. Celle-ci est alros validée sur des cas simples et intégraux avec une comparaison systématique à des résultats expérimentaux ou théoriques.En se basant sur un algorithme implicite existant dans la littérature, un couplage fluide-structure utilisant cette méthode de suivi d'interface est implémenté. Validé sur des cas monophasiques et diphasiques, ce couplage offre désormais la possibilité de déplacer un solide en fonction des forces fluides diphasiques qui lui sont appliquées.Les différentes méthodes numériques présentes dans NEPTUNE_CFD sont ensuite évaluées pour un écoulement fréon/fréon au travers d'un faisceau de tubes inclinés. La nécessité d'utiliser des modèles dit "multi-régime" est mis en avant.Afin de déterminer l'influence sur l'écoulement des différentes propriétés physiques d'un mélange diphasique, plusieurs cas simples sont réalisés.Finalement, l'application industrielle cible, un écoulement eau/fréon dans un faisceau de tubes à pas carré, est simulée et comparée à un écoulement en conditions réelles (eau/vapeur à 70 bar). Les vibrations induites par écoulement monophasique puis diphasique sont correctement reproduites sur des cas dit de "faisabilité"
In nuclear power plants, steam generator tubes vibrate because of steam/water cross-flows. In order to understant this phenomenon, reduced-scale experiments are performed. Numerical simulations have shown their ability to accurately reproduce the vibration induced by a single phase flow in a tube bundle. The aim of the present work is to do the same with two-phase flow and to characterize the effect of the mixture physical properties on vibration.To do so, a CFD code based on a two-fluid approach is used. A "discrete forcing" method is implemented in order to allow solid body motion in a two-phase flow. The validation is performed with simple and industrial cases using experimental and theoretical results.Using an existing implicit algorithm, a fluid-structure coupling based on the developed interface tracking method is implemented. Validated for single and two-phase flows, it is now possible to have solid motion induced by fluid forces.The different numerical models dedicated to two-phase flows are then evaluated on a freon/freon flow across an inclined tube bundle. The use of a multi-regime model is required. In order to investigate the role of the different physical properties on the vibration, three simple studies are performed.Finally, the industrial application, a freon/water flow across a square pitch tube bundle, is performed. First, it is compared to a steam/water flow in order to characterize the discrepancies when we are using a modeling mixture. Then, the vibration induced by single- and two-phase flows is reproduced by the developed method on feasibility test cases

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Feuillet, Rémi. "Embedded and high-order meshes : two alternatives to linear body-fitted meshes." Electronic Thesis or Diss., Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLY010.

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Abstract:

La simulation numérique de phénomènes physiques complexes requiert généralement l’utilisation d’un maillage. En mécanique des fluides numérique, cela consisteà représenter un objet dans un gros volume de contrôle. Cet objet étant celui dont l’on souhaite simuler le comportement. Usuellement, l’objet et la boîte englobante sont représentés par des maillage de surface linéaires et la zone intermédiaire est remplie par un maillage volumique. L’objectif de cette thèse est de s’intéresser à deux manières différentes de représenter cet objet. La première approche dite immergée consiste à mailler intégralement le volume de contrôle et ensuite à simuler le comportement autour de l’objet sans avoir à mailler explicitement dans le volume ladite géometrie. L’objet étant implicitement pris en compte par le schéma numérique. Le couplage de cette méthode avec de l’adaptation de maillage linéaire est notamment étudié. La deuxième approche dite d’ordre élevé consiste quant à elle consiste à augmenter le degré polynomial du maillage de surface de l’objet. La première étape consiste donc à générer le maillage de surface de degré élevé et ensuite àpropager l’information de degré élevé dans les éléments volumiques environnants si nécessaire. Dans ce cadre-là, il s’agit de s’assurer de la validité de telles modifications et à considérer l’extension des méthodes classiques de modification de maillages linéaires
The numerical simulation of complex physical phenomenons usually requires a mesh. In Computational Fluid Dynamics, it consists in representing an object inside a huge control volume. This object is then the subject of some physical study. In general, this object and its bounding box are represented by linear surface meshes and the intermediary zone is filled by a volume mesh. The aim of this thesis is to have a look on two different approaches for representing the object. The first approach called embedded method consist in integrally meshing the bounding box volume without explicitly meshing the object in it. In this case, the presence of the object is implicitly simulated by the CFD solver. The coupling of this method with linear mesh adaptation is in particular discussed.The second approach called high-order method consist on the contrary by increasing the polynomial order of the surface mesh of the object. The first step is therefore to generate a suitable high-order mesh and then to propagate the high-order information in the neighboring volume if necessary. In this context, it is mandatory to make sure that such modifications are valid and then the extension of classic mesh modification techniques has to be considered

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Etcheverlepo, Adrien. "Développement de méthodes de domaines fictifs au second ordre." Phd thesis, Université Sciences et Technologies - Bordeaux I, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00821897.

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Abstract:

La simulation d'écoulements dans des géométries complexes nécessite la création de maillages parfois difficile à réaliser. La méthode de pénalisation proposée dans ce travail permet de simplifier cette étape. En effet, la résolution des équations qui gouvernent l'écoulement se fait sur un maillage plus simple mais non-adapté à la géométrie du problème. Les conditions aux limites sur les parties du domaine physique immergées dans le maillage sont prises en compte à travers l'ajout d'un terme de pénalisation dans les équations. Nous nous sommes intéressés à l'approximation du terme de pénalisation pour une discrétisation par volumes finis sur maillages décalés et colocatifs. Les cas tests de vérification réalisés attestent d'un ordre de convergence spatial égal à 2 pour la méthode de pénalisation appliquée à la résolution d'une équation de type Poisson ou des équations de Navier-Stokes. Enfin, on présente les résultats obtenus pour la simulation d'écoulements turbulents autour d'un cylindre à Re=3900 et à l'intérieur d'une partie d'un assemblage combustible à Re=9500.

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Lepilliez, Mathieu. "Simulation numérique des ballotements d'ergols dans les réservoirs de satellites en microgravité et à faible nombre de Bond." Thesis, Toulouse 3, 2015. http://www.theses.fr/2015TOU30248/document.

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Abstract:

Cette thèse porte sur l'étude des ballotements dans les réservoirs de satellites à poste, lors des phases de manoeuvre à faible accélération. En effet la bulle de gaz d'hélium servant à pressuriser le réservoir se met en mouvement, générant ainsi des perturbations sur la stabilité globale du satellite. Afin de mener à bien cette étude, des méthodes numériques ont été développées, avec une méthode de frontières immergées pour prendre en compte les parois du réservoir.Le code est utilise la méthode Level-Set pour capturer l'interface, et gère les sauts à l'aide de la méthode Ghost-Fluid. Un solveur BlackBox Multigrid est également développé pour améliorer lesperformances de calcul. Une étude est présentée dans le dernier chapitre pour définir quelques lois de comportements en fonction des vitesses et accélérations générées lors des manoeuvres
The core study of this PhD thesis is the sloshing in satellite tanks, during low acceleration maneuvers. Indeed the helium bubble used to pressurize the tank moves, thus generating perturbations on the global stability of the satellite. In order to understand this problem, numerical schemes have been developed, such as an immersed boundary method to model the tank wall. The numerical tool uses a Level-Set function coupled to a Ghost Fluid Method to track the interface and to account for the jump conditions.A BlackBox Multigrid Solver have been developed to improve computational cost. Finally a study is presented in the last chapter to predict the behaviour of the fluids with a varying rotational speed generated during some classical maneuvers

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Gibaud, Etienne. "Numerical simulation of red blood cells flowing in a blood analyzer." Thesis, Montpellier, 2015. http://www.theses.fr/2015MONTS135/document.

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Abstract:

L'objectif de cette thèse est d'améliorer la compréhension des phénomènes jouant un rôle dans la mesure effectuée dans un analyseur sanguin, en particulier le comptage et la mesure de volumétrie d'une population de globules rouges reposant sur l'effet Coulter. Des simulations numériques sont effectuées dans le but de prédire la dynamique des globules rouges dans les zones de mesure et pour reproduire la mesure électrique associée, servant au comptage et à la volumétrie des cellules. Ces simulations sont effectuées à l'intérieur de configurations industrielles d'analyseur sanguin, en utilisant un outil numérique développé à l'IMAG, le solveur YALES2BIO. En utilisant la méthode des frontières immergées avec suivi de front, un modèle de particule déformable est introduit, celui-ci prend en compte le contraste de viscosité ainsi que les effets mécaniques de la courbure et de l'élasticité sur la membrane. Le solveur est validé grâce à de nombreux cas tests parcourant différents régimes et effets physiques. L'écoulement fluide dans cette géométrie d'analyseur sanguin est caractérisée par un fort gradient de vitesse axial dans la direction de l'écoulement, impliquant la présence d'un écoulement extensionnel au niveau du micro-orifice, là où a lieu la mesure. La dynamique des globules rouges est étudiée par des simulations numériques pour différentes conditions initiales, telles que sa position ou son orientation. Il est observé que les globules rouges vont se réorienter selon l'axe principal de l'analyseur sanguin dans tous les cas. Pour comprendre le phénomène, des modèles analytiques sont adaptés au cas des écoulements extensionnels et reproduisent correctement les tendances de réorientation.Cette thèse présente également la reproduction de la mesure électrique utilisée pour le comptage et la mesure de la distribution des volumes de globules rouges. De nombreuses simulations de la dynamique des globules rouges sont effectuées et utilisées pour générer l'impulsion électrique correspondant au passage du globule rouge dans le micro-orifice. Les amplitudes d'impulsions électriques résultantes permettent la caractérisation de la réponse électrique en fonction des paramètres initiaux de la simulation par une approche statistique. Un algorithme de Monte-Carlo est utilisé pour la quantification des erreurs de mesure liées à l'orientation et la position des globules rouges dans le micro-orifice. Ceci permet la génération d'une distribution de volume mesurée pour une population de globules rouges bien définie et la caractérisation des erreurs de mesure associées
The aim of this thesis is to improve the understanding of the phenomena involved in the measurement performed in a blood analyzer, namely the counting and sizing of red blood cells based on the Coulter effect. Numerical simulations are performed to predict the dynamics of red blood cells in the measurement regions, and to reproduce the associated electrical measurement used to count and size the cells. These numerical simulations are performed in industrial configurations using a numerical tool developed at IMAG, the YALES2BIO solver. Using the Front-Tracking Immersed Boundary Method, a deformable particle model for the red blood cell is introduced which takes the viscosity contrast as well as the mechanical effects of the curvature and elasticity on the membrane into account. The solver is validated against several test cases spreading over a large range of regimes and physical effects.The velocity field in the blood analyzer geometry is found to consist of an intense axial velocity gradient in the direction of the flow, resulting in a extensional flow at the micro-orifice, where the measurement is performed. The dynamics of the red blood cells is studied with numerical simulations with different initial conditions, such as its position or orientation. They are found to reorient along the main axis of the blood analyzer in all cases. In order to understand the phenomenon, analytical models are adapted to the case of extensional flows and are found to reproduce the observed trends.This thesis also presents the reproduction of the electrical measurement used to count red blood cells and measure their volume distribution. Numerous dynamics simulations are performed and used to generate the electrical pulse corresponding to the passage of a red blood cell inside the micro-orifice. The resulting electrical pulse amplitudes are used to characterize the electrical response depending on the initial parameters of the simulation by means of a statistical approach. A Monte-Carlo algorithm helps quantifying the errors on the measurement of cell depending on its orientation and position inside the micro-orifice. This allows the generation of a measured volume distribution of a well defined red blood cell population and the characterization of the associated measurement errors

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Savel, Marc. "Analyse et contrôle de modèles d'écoulements fluides." Thesis, Toulouse 3, 2017. http://www.theses.fr/2017TOU30068/document.

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Abstract:

Dans cette thèse, nous étudions le caractère bien posé, le contrôle et la stabilisation de quelques modèles d'écoulements fluides. Dans la première partie, on s'intéresse aux équations de Navier-Stokes compressibles 1D. Un résultat de contrôlabilité locale aux trajectoires par contrôle frontière est établi sous l'hypothèse géométrique de vidage du domaine par le flot de la trajectoire cible. La principale nouveauté de ce travail est que les trajectoires cibles peuvent être choisies non constantes. Dans la deuxième partie, nous travaillons sur un modèle de frontière immergée dans un fluide visqueux incompressible en 2D et 3D. Contrairement à la méthode des frontières immergées de Peskin où la force générée par la structure dépend de ses propriétés élastiques et géométriques, nous considérons que la force de la structure est une donnée du système. Nous montrons alors des résultats d'existence locale en temps et en tout temps à données petites de solutions fortes. Ce travail est un premier pas vers l'analyse mathématique de la méthode des frontières immergées de Peskin. Dans la dernière partie, nous étudions la stabilisation d'une interface entre deux couches de fluides visqueux non miscibles soumis à l'effet de tension de surface en 2D et 3D. Nous montrons qu'au moyen d'un contrôle de dimension finie agissant sur une partie de la frontière d'un seul des deux fluides, le système est exponentiellement stabilisable à tout taux de décroissance autour de la configuration plate avec fluides au repos. Ce travail est une première étape dans l'étude de la stabilisation des instabilités de Rayleigh-Taylor
In this work we study the well-posedness, the control and the stabilization of some fluid flow models. First, we focus on the 1D compressible Navier-Stokes equations. Under a geometric assumption on the flow of the target velocity corresponding to the possibility of emptying the domain under the action of the flow, we prove the local exact boundary controllability to trajectory. The main novelty of this work is that the target trajectory can now depend on time and space. In the second part, we study a model of an immersed boundary in an incompressible viscous fluid in 2D and 3D. Contrary to Peskin's Immersed Boundary Method where the boundary force depends on the elastic properties of the structure and its geometry, we consider that the boundary force is a given data. Two results are established: a local in time existence of strong solutions and an existence of strong solutions for all time with small data. This work is a first step on the mathematical analysis of Peskin's Immersed Boundary Method. Finally, we are interested in the stabilization of the interface between two fluid layers coupled through surface tension effect in 2D and 3D. We prove that the system is exponentially stabilizable at any rate around a flat configuration with fluids at rest using a control of finite dimension acting locally at one fluid boundary. This work is a first step in the study of the stabilization of Rayleigh-Taylor instabilities

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Feuillet, Rémi. "Embedded and high-order meshes : two alternatives to linear body-fitted meshes." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLY010/document.

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Abstract:

La simulation numérique de phénomènes physiques complexes requiert généralement l’utilisation d’un maillage. En mécanique des fluides numérique, cela consisteà représenter un objet dans un gros volume de contrôle. Cet objet étant celui dont l’on souhaite simuler le comportement. Usuellement, l’objet et la boîte englobante sont représentés par des maillage de surface linéaires et la zone intermédiaire est remplie par un maillage volumique. L’objectif de cette thèse est de s’intéresser à deux manières différentes de représenter cet objet. La première approche dite immergée consiste à mailler intégralement le volume de contrôle et ensuite à simuler le comportement autour de l’objet sans avoir à mailler explicitement dans le volume ladite géometrie. L’objet étant implicitement pris en compte par le schéma numérique. Le couplage de cette méthode avec de l’adaptation de maillage linéaire est notamment étudié. La deuxième approche dite d’ordre élevé consiste quant à elle consiste à augmenter le degré polynomial du maillage de surface de l’objet. La première étape consiste donc à générer le maillage de surface de degré élevé et ensuite àpropager l’information de degré élevé dans les éléments volumiques environnants si nécessaire. Dans ce cadre-là, il s’agit de s’assurer de la validité de telles modifications et à considérer l’extension des méthodes classiques de modification de maillages linéaires
The numerical simulation of complex physical phenomenons usually requires a mesh. In Computational Fluid Dynamics, it consists in representing an object inside a huge control volume. This object is then the subject of some physical study. In general, this object and its bounding box are represented by linear surface meshes and the intermediary zone is filled by a volume mesh. The aim of this thesis is to have a look on two different approaches for representing the object. The first approach called embedded method consist in integrally meshing the bounding box volume without explicitly meshing the object in it. In this case, the presence of the object is implicitly simulated by the CFD solver. The coupling of this method with linear mesh adaptation is in particular discussed.The second approach called high-order method consist on the contrary by increasing the polynomial order of the surface mesh of the object. The first step is therefore to generate a suitable high-order mesh and then to propagate the high-order information in the neighboring volume if necessary. In this context, it is mandatory to make sure that such modifications are valid and then the extension of classic mesh modification techniques has to be considered

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Brauer, Alexia de. "Simulation de modèles multi-matériaux sur maillage cartésien." Thesis, Bordeaux, 2015. http://www.theses.fr/2015BORD0152/document.

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Abstract:

On s’intéresse à la simulation d’écoulements compressibles multi-matériaux et, notamment, aux interactions fluide/structure dans les régimes transitoires et en dynamique rapide. Le but est de pouvoir décrire l’évolution de matériaux de lois de comportement très différentes à l’aide d’un modèle unique. Les milieux sont seulement différenciés par leurs équations d’état et sont séparés par une interface dite sharp. Les matériaux peuvent être des fluides ou des solides élastiques et sont soumis à de grandes déformations. Le modèle est écrit dans le formalisme eulérien. Le schéma numérique est résolu sur des grilles cartésiennes pour des simulations en trois dimensions.Une extension du modèle permet de décrire les déformations plastiques des solides
We are interested in the simulation of compressible multimaterial flows and especially influid/structure interactions in transient states and fast dynamics. We aim to describe the evolution of materials of very different constitutive laws with an unified model. The materials are only differentiated by their own constitutive laws and are separated by a sharp interface. They can be as well fluids or elastic solids and under go large de formations. The model is written in the Eulerian framework. The numerical scheme is solved on Cartesian grids for simulations in three dimensions. An extension of the elastic model is added to describe the plastic deformations of solids

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Ghaddab, Driss. "Une Méthode de frontière immergée pour la simulation d'écoulements autour d'objets de forme arbitraire." Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008), 2001. http://www.theses.fr/2001STR13208.

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Abstract:

Une methode de frontiere immergee pour la simulation des ecoulements autour d'objets de forme arbitraire est presentee. Elle est basee sur une discretisation par differences finies d'ordre deux sur un maillage cylindrique regulier. La discretisation temporelle suit une methode a pas fractionne,avec un schema de Runge-Kutta pour les termes convectifs et un schema de Crank-Nicholson pour les termes diffusifs. La geometrie de l'objet est decrite gr^ace a une fonction courbe de niveau (level set). Pres de l'interface fluide-objet,ces termes sont interpoles a l'ordre deux sans pour autant inffluencer le critere de stabilite de la methode. Le probleme de Stokes est resolu a l'aide de l'algorithme d'Uzawa permettant une precision temporelle d'ordre deux pour la pression. Une approche de type volumes-finis pour le traitement de la divergence assure une conservation de la masse m^eme pres de la paroi. La formulation faible du probleme reliant la pression et la divergence permet de symetriser l'operateur d'Uzawa. Le probleme de Stokes est resolu numeriquement par une methode de gradients conjugues alliee a un preconditionnement par l'inverse du laplacien qui permet une resolution efficace des equations de Navier-Stokes. Le calcul de la force et du moment exerces par le fluide sur l'objet est effectue par l'utilisation d'un volume de contr^ole. La methode a ete comparee aux resultats d'un code spectral-elements spectraux d'ordre 6 deja valide dans d'autres travaux. Le cas test est une sphere placee dans un ecoulement uniforme pour les regimes axisymetrique stationnaire, non axisymetrique stationnaire et instationnaire. Tant qualitativement que quantitativement,la methode donne des resultats en tres bon accord avec les resultats du code spectral-elements spectraux d'ordre plus eleve
An immersed boundary method for the simulation of uid ow around arbitrarily shaped objects is presented. It is based on a second order _nite di_erence discretization in a regular cylindrical mesh. Temporal advancement is achieved with a fractional step method using a Runge-Kutta scheme for the non-linear terms and a Crank-Nicholson scheme for the linear terms. Object's geometry is described with a level set method. Near the uid-object interface, linear and non-linear terms are interpolated with second order precision to match wall boundary conditions without a_ecting the stability criteria. The arising Stokes problem is resolved using Uzawa algorithm to ensure second order temporal precision for the pressure. Velocity divergence is calculated with a nite-volume method to ensure mass conservation even near the object wall. The weak formulation of the problem linking the pressure to the divergence makes the Uzawa operator symmetric. The Stokes problem is then numerically solved using a preconditioned conjugate gradient method where the preconditioner is the inverse of the Laplacian which allows an e_cient resolution of the Navier-Stokes equations. The force and the momentum exerted by the uid on the body are computed using a control volume approach. The developed method is compared to a spectral-spectral elements code of sixth order precision previously validated in various works. The case of a sphere in a uniform ow is tested at di_erent ow regimes: stationary axisymmetric regime, stationary non axisymmetric regime and instationary regime. The method is qualitatively as well as quantitatively in good agreement with the results of the higher order spectral code

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Wu, Jianzhao. "Numerical simulation of wind erosion : application to dune migration." Thesis, Lyon, 2019. http://www.theses.fr/2019LYSEC016/document.

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Abstract:

L’érosion éolienne est un phénomène complexe avec des interactions entre la couche limite atmosphérique, le transport des particules et la déformation des dunes. Dans cette thèse des simulations numériques de transport de particules solides sur des dunes fixes ou déformables sont effectuées. L’écoulement turbulent est calculé par des simulations des grandes échelles (LES) couplée avec une méthode de frontières immergées. Les particules solides sont tractées par une approche Lagrangienne. L’entraînement des particules, leur interaction avec la surface et leur dépôt sont pris en compte par des modèles physiques complets d’érosion. D’un point de vue numérique, une méthode de frontières immergées a été introduite pour simuler les écoulements turbulents sur des frontières mouvantes. Le nouveau solveur a été validé en effectuant des comparaison avec les résultats expérimentaux de Simoens et al. (2015) dans le cas d’une colline Gaussienne. D’un point de vue physique, des modèles complets ont été développés pour l’érosion éolienne en se basant sur les forces agissant sur les particules. Des modèles instantanés pour l’envol, le roulement et le glissement des particules sont développés pour initier le mouvement des particules. Leur rebond et le splash sont également pris en compte. Des équations Lagrangiennes sont utilisées pour simuler la trajectoire des particules solides dans l’air. Une équation de transport d’un lit de particules a également été développée pour les cas de glissement et de roulement des particules sur la surface. La déformation de la dune est effectuée en faisant le bilan des particules qui s’envolent et se déposent. Ces modèles ont été validés en comparant les résultats de simulation avec les résultats expérimentaux de Simoens et al. (2015) sur les profils de concentration autour d’une colline Gaussienne. Enfin, des simulations numériques d’une dune sinusoïdale déformable sont effectuées. La forme de la dune simulée est comparée avec les résultats expérimentaux de Ferreira and Fino (2012). Un bon agrément est obtenu a t = 2.0 min, par contre la hauteur de la dune est sous-estimée entre 4.0 min et 6.0 min. Les résultats numériques montrent que la zone de recirculation diminue progressivement quand la dune se déforme. L’érosion, due à l’envol et au splash, est important a l’avant de la dune tandis que les particules se déposent a l’arrière de la dune. Le modèle de splash a été modifié pour prendre en compte l’effet de la pente, ce qui a permis une meilleure estimation de la hauteur de la dune a t = 4.0 min
Wind erosion is a complex dynamic process consisting in an atmospheric boundary layer, aeolian particle transport, sand dune deformation and their intricate interactions. This thesis undertakes this problems by conducting three-dimensional numerical simulations of solid particle transport over a fixed or deformable sand dune. Turbulent flow is calculated by a developed numerical solver (Large-eddy simulation (LES) coupled with immersed boundary method (IBM)). Solid particle trajectories are tracked by a Lagrangian approach. Particle entrainment, particle-surface interactions and particle deposition are taken into account by physical comprehensive wind erosion models. Firstly, a new numerical solver has been developed to simulate turbulent flows over moving boundaries by introducing the IBM into LES. Two canonical simulation cases of a turbulent boundary layer flow over a Gaussian dune and over a sinusoidal dune are performed to examine the accuracy of the developed solver. Recirculation region characteristics, mean streamwise velocity profiles, Reynolds stress profiles as well as the friction velocity over the dune are presented. In the Gaussian case, a good agreement between experimental data and simulated results demonstrates the numerical ability of the improved solver. In the sinusoidal case, the developed solver with wall modeling over the immersed boundary shows a better performance than the pure one, when a relatively coarse grid is used. Secondly, physical comprehensive modeling of wind erosion is described in detail, based on the forces acting an individual particle. An instantaneous entrainment model for both lifting and rolling-sliding modes is proposed to initialize particle incipient motions. Lagrangian governing equations of aeolian particle motion are presented and used to simulate the trajectories of solid particles. Particularly, Lagrangian governing equations of bed-load particle motion are originally deduced and applied to model the particle rolling-sliding movement on the bed surface. In addition, particle-surface interactions are taken into account by probabilistic rebound/splash models. Thirdly, numerical simulations of particle transport over a fixed Gaussian dune and over a deformable sinusoidal dune are carried out. In the fixed Gaussian case, an overall good agreement on the particle concentration profiles over the dune between the simulated results and the experimental data of Simoens et al. (2015) preliminarily validates the ability and accuracy of the developed numerical solver coupled with physical comprehensive wind erosion models. In the deformable sinusoidal case, the simulated dune shapes are compared with the experimental ones of Ferreira and Fino (2012). A good agreement between them is observed at t = 2.0 min and an obvious underestimate of the dune shape is shown at t = 4.0 min and t = 6.0 min. By analyzing the simulated results, it is shown that the recirculation zone behind the dune is gradually reduced as the dune deforms and that windward erosion and lee side deposition is observed. It is also shown after testing that the splash entrainment is important for the lee side erosion. Moreover, a preliminary attempt is presented to apply an improved splash model with accounting for the bed slope effect to the simulation of sand dune deformation. A better performance on the simulated dune shape is achieved at t = 4.0 min in comparison with the experimental one

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Coundoul, Falilou. "Étude et modélisation des transferts verticaux dans l'interaction biofilm de rivière/couche limite turbulente." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2012. http://oatao.univ-toulouse.fr/9268/1/coundoul_partie_1_sur_3.pdf.

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Abstract:

Le biofilm épilithique (anciennement périphyton), agrégat phototrophe d’organismes se développant sur le fond des cours d’eau, joue un rôle essentiel dans le fonctionnement des hydroécosystèmes fluviaux comme la Garonne. Pour améliorer la modélisation à l’échelle du tronçon de rivière de ces systèmes, il est nécessaire de prendre en compte les caractéristiques locales de l’écoulement notamment pour la prédiction de l’évolution de la biomasse. Les méthodes expérimentales actuelles ne permettent pas d’accéder aux grandeurs hydrodynamiques locales proches du fond rugueux, dans la zone dite de ’canopée’. Le travail présenté ici vise donc à compléter ces résultats par des simulations numériques directes, avec une méthode de frontières immergées, d’écoulements turbulents de couche limite hydrauliquement rugueuse formée d’hémisphères. L’objectif est double : il s’agit d’une part de mettre en relation les motifs de colonisation et la croissance du biofilm observés expérimentalement aux caractéristiques locales de l’écoulement, et d’autre part, de quantifier les flux d’espèces chimiques entre la canopée et la pleine eau et ce, en fonction du type d’arrangement des obstacles formant le fond, du confinement et du nombre de Reynolds rugueux. Après avoir validé la méthode numérique sur des cas proches de ceux rencontrés dans les expériences, et vérifié que les grandeurs hydrodynamiques moyennes et turbulentes dans la pleine eau sont en bon accord avec les résultats expérimentaux, plusieurs campagnes de simulations ont été réalisées pour deux types d’arrangements du fond (aligné et décalé), plusieurs confinements et une gamme de nombre de Reynolds rugueux représentatifs des écoulements en rivière. Ce travail a pu mettre en évidence que le biofilm colonise préférentiellement les zones de faible cisaillement local et un critère de colonisation a été déterminé. Des simulations avec transfert d’espèce chimique ont été réalisées pour différentes valeurs du nombre de Schmidt et ont permis de quantifier les flux d’échange en fonction de ce paramètre.

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Chateau, Sylvain. "Simulations numériques du transport et du mélange de mucus bronchique par battement ciliaire métachronal." Thesis, Aix-Marseille, 2018. http://www.theses.fr/2018AIXM0637/document.

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Abstract:

La clairance mucociliaire est un processus physico-chimique qui sert à transporter et éliminer le mucus bronchique. Pour cela, des milliards d'appendices de taille micrométrique, que l'on nomme cils, recouvrent l'épithélium respiratoire. Ces cils propulsent le mucus en suivant un motif périodique comprenant une phase de poussée où leur pointe peut pénétrer dans le mucus, et une phase de récupération où ils sont totalement immergés dans le fluide périciliaire. Un dysfonctionnement de ce processus peut engendrer de nombreux problèmes de santé. Il a été observé expérimentalement que les cils ne battent pas aléatoirement, mais synchronisent leurs battements avec leurs voisins, formant ainsi des ondes métachronales. Toutefois, les observations in vivo sont extrêmement difficiles à réaliser, et les propriétés de ces ondes restent mal connues. Dans cette thèse, nous utilisons un solveur Lattice Boltzmann - Frontière Immergée afin de reproduire un épithélium bronchique et étudier l'émergence, ainsi que les capacités de transports et de mélanges, de ces ondes
The mucociliary clearance process is a physico-chemical process which aims is to transport and eliminate bronchial mucus. To do so, billions of micro-sized appendages, called cilia, cover the respiratory epithelium. These cilia propel the mucus by performing a periodical pattern composed of a stroke phase where their tips can enter the mucus layer, and a recovery phase where the cilia are completely immersed in the periciliary liquid layer. A failure of this process may induce numerous health problems. It has been experimentally observed that cilia do not beat randomly, but instead adapt their beatings accordingly to their neighbours, forming metachronal waves. However, in vivo observations are extremely difficult to perfom, and the properties of these waves remain poorly understood. In this thesis, we use a Lattice Boltzmann - Immersed Boundary solver to reproduce a bronchial epithelium and study the emergence, as well as the transport and mixing capacities, of these waves

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Boukharfane, Radouan. "Contribution à la simulation numérique d'écoulements turbulents compressibles canoniques." Thesis, Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique, 2018. http://www.theses.fr/2018ESMA0003/document.

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Abstract:

L’étude des écoulements compressibles, notamment supersoniques, traversant les chambres de combustion de certains moteurs ramjet et scramjet, requiert la prise en compte de différents dispositifs complexes pour l’amélioration du processus de combustion et en particulier de leur stabilisation. La connaissance des interactions entre la turbulence, les effets de compressibilité, et les interaction fluide-solide dans ce type d’écoulement reste imparfaite. Ce travail de thèse est dédié à l’amélioration de notre compréhension de ce type d’écoulement dans un certain nombre de configurations canoniques par la biais de la simulation numérique directe. L’ensemble des simulations conduites s’appuie sur l’emploi d’un outil de simulation numérique haute fidélité : CREAMS (Compressible REActive Multi-species Solver) développé à l’Institut Pprime. Ce code de calcul met en oeuvre des schémas numériques d’ordre élevé : schéma Runge–Kutta d’ordre 3 pour l’intégration temporelle combiné à un schéma WENO d’ordre 7 et centré d’ordre 8 pour la discrétisation spatiale. Dans un premier temps, nous présentons une nouvelle méthode de frontières immergées pour le calcul d’écoulement d’un fluide visqueux compressible dans des géométries irrégulières. La méthode développée dans le cadre de cette thèse est basée sur la combinaison de l’approche appelée "Direct forcing" et celle de "Ghost-Point-Forcing". L’originalité de cette méthode réside dans sa capacité à simuler des écoulements subsoniques et supersoniques à différents nombres de Reynolds. L’examen de précision de cette méthode a permis d’établir un ordre supérieur à deux et sa robustesse est éprouvée par l’étude d’un bon nombre de cas tests. Dans un second temps, une configuration canonique idéalisée d’interaction choc-turbulence est étudiée pour mettre en lumière les mécanismes physiques fondamentaux caractéristiques du phénomène d’interaction entre une turbulence homogène isotrope et une onde de choc droite. Cette étude est complétée par une étude d’interaction choc-mélange scalaire pour étudier l’impact du choc normal sur le processus du mélange. Ce travail permet de mettre en place une base de données de résultats susceptibles d’être confrontés ultérieurement à des calculs basés sur l’emploi de modèles de turbulence. Enfin, nous nous sommes intéressés à l’effet des propriétés de transport moléculaire, en particulier celles de la viscosité volumique, sur le développement d’une couche de mélange impactée par un choc oblique. Les simulations réalisées dans cette configuration ont permis d’étudier la validité de l’hypothèse de Stokes consistant à négliger l’effet de la viscosité volumique
The study of compressible flows, especially supersonic, passing through the combustion chambers of ramjet and scramjet engines, requires the consideration of various complex devices for improving the combustion processand in particular its stabilization. Indeed, the knowledge of the interactions between turbulence, compressibility effects, and fluid-solid interactions in this type of flow still remains imperfect. This thesis is dedicated to improving our understanding of this type of flow in a number of canonical flow configurations through direct numerical simulation. All the simulations that have been conducted are based on the use of a high-precision numerical simulations tool, called CREAMS (Compressible REActive Multi-species Solver), developed at the Pprime Institute. This computational solver makes use of high precision numerical schemes: a 3rd order Runge–Kutta scheme for time integration combined with a 7th order WENO and 8th order centered scheme for spatial discretization. In a first step of this study, we present a new immersed boundary method for calculating the flow of compressible viscous fluids in irregular geometries. The method developed in this thesis is based on the combination of the "Directforcing" approach with the "Ghost-Point-Forcing" strategy. The originality of this method lies in its ability to simulate subsonic and supersonic flows at different Reynolds numbers. The accuracy of this method is found to be slightly larger than second order and its robustness is investigated by considering a large set of benchmarks. Ina second step, an idealized canonical configuration of shock-turbulence interaction is studied to highlight the fundamental physical mechanisms that are characteristic of the interaction between an isotropic homogeneous turbulence and a normal shock wave. This analysis is complemented by a scalar shock-mixing interaction study to investigate the impact of normal shock on the mixing process properties. Through this work, a database is made available. It can be used to assess and improve turbulence models. Finally, we investigated the effect of molecular transport properties, more specifically the volume viscosity, on the development of a mixture layer impacted by an oblique shock. The simulations performed in this configuration allow to scrutinize the validity of the Stokes hypothesis that is based on the neglection of the volume viscosity

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Fry, Benjamin. "Modélisation multi-échelle d'un lit granulaire entraîné par un écoulement cisaillé." Thesis, Toulouse, INPT, 2019. http://www.theses.fr/2019INPT0132.

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Abstract:

Dans cette thèse, on étudie le transport granulaire par charriage en régime établi d’un lit de grains soumis à un écoulement de Couette laminaire pour un rapport de densité fluide-grain de 2.5 et une gamme de nombre de Reynolds particulaire, Re p [0.1, 10], et de nombre de Shields, [0.1,0.7]. Toutes les échelles de cet écoulement diphasique (à l’exception des effets de lubrification) sont décrites via la résolution numérique des équations de Navier-Stokes en prenant en compte la présence des particules par une méthode de frontières immergées (IBM) couplée à un solveur granulaire (méthode des éléments discrets - DEM) qui résout les équations de Newton pour chaque particule ainsi que les contacts et frottements entre grains (résolution à l’échelle microscopique). Un changement d’échelle est ensuite effectué afin d’obtenir une description de l’écoulement via des champs continus équivalents (description à l’échelle mésoscopique). Les simulations IBM-DEM permettent de quantifier chacun des termes du modèle dit mésoscopique et de caractériser la rhéologie de chaque phase ainsi que du mélange. On effectue finalement un second changement d’échelle afin de réduire l’écoulement de grains observé à une singularité, qui correspond à une condition limite du point de vue de l’écoulement du fluide. Cette condition est du type de Navier. Les simulations IBM-DEM montrent que la longueur dite de glissement "équivalente" est directement proportionnelle au nombre de Shields
In this work, we consider the steady transport of a granular medium by a laminar Couette flow for a fixed density ratio of 2.5 and a range of particle Reynolds number, Re p [0.1, 10], and Shields number [0.1, 0.7]. All scales of this two-phase flow are captured (except for the lubrication effects). By solving the Navier-Stokes equations, taking into account the presence of particles using an Immersed Boundary Method (IBM) coupled to a granular solver (Discrete Elements Method - DEM) which solves the Newton equations for each particle, in particular grain-grain interactions (resolution at the microscopic scale). Up-scaling is then performed to describe the flow via equivalent continuous quantities (description at the mesoscopic scale). IBM-DEM simulations allow to quantify all the terms of the so-called mesoscopic model and to characterize the rheology of each phase and that of the equivalent mixture. A second up-scaling is finally performed to reduce the granular flow to a singularity, which corresponds to a boundary condition from the fluid view point. The boundary condition is of Navier’s type. The IBM-DEM simulations suggest that the corresponding "equivalent" slip-lenght scales as

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Eugênio, Ribeiro Fábio Henrique. "Numerical Simulation of Turbulent Combustion in Situations Relevant to Scramjet Engine Propulsion." Thesis, Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique, 2019. http://www.theses.fr/2019ESMA0001/document.

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Les super-statoréacteurs sont des systèmes de propulsion aérobie à grande vitesse qui ne nécessitent pas d’éléments rotatifs pour comprimer l’écoulement d’air. Celui-ci est comprimé dynamiquement par un système d’admission intégré dans le véhicule, atteignant la pression et la température requises pour que la combustion puisse s’opérer dans la chambre de combustion. La chambre de combustion est traversée par un écoulement supersonique dans ce type de moteur, ce qui limite considérablement le temps disponible pour injecter le carburant, le mélanger avec un oxydant, enflammer le mélange obtenu et parvenir à une combustion complète. Les cavités peuvent être utilisées pour augmenter le temps de séjour sans perte excessive de pression totale et sont donc utilisées comme éléments de stabilisation dans les chambres de combustion supersonique. Cette thèse se concentre sur l’étude du mécanisme de stabilisation et des interactions chimie-turbulence dans le cas d’une injection pariétale de combustible dans un écoulement supersonique d’air vicié en amont d’une cavité carrée. Les conditions d’écoulement réactif à grande vitesse correspondantes sont examinées sur la base de simulations numériques d’un modèle de scramjet représentatif d’expériences effectuées précédemment à l’Université du Michigan. Les calculs sont effectués avec le solveur CREAMS, développé pour effectuer la simulation numérique d’écoulements multi-espèces réactifs compressibles sur des architectures massivement parallèles. Le solveur utilise des schémas numériques d’ordre élevé appliqués sur des maillages structurées et la géométrie de la chambre de combustion est modélisée à l’aide d’une méthode de frontières immergées (IBM). Les simulations LES font usage du modèle wall-adapting local eddy (WALE). Deux températures distinctes sont considérées dans l’écoulement entrant d’air vicié pour étudier la stabilisation de la combustion.Une attention particulière est accordée à l’analyse de la topologie et de la structure des écoulements réactifs, les régimes de combustion sont analysés sur la base de diagrammes standards de combustion turbulente
Scramjet engines are high-speed air breathing propulsion systems that do not require rotating elements to compress the air inlet stream. The flow is compressed dynamically through a supersonic intake system integrated in the aircraft’s forebody, reaching the required pressure and temperature for combustion to proceed within the combustor in this kind of engine. The combustion chamber is crossed by a supersonic flow, which limits severely the time available to inject fuel, mix it with oxidizer, ignite the resulting mixture and reach complete combustion. Cavities can be used to increase the residence time without excessive total pressure loss and are therefore used as flame holders in supersonic combustors.This thesis focuses in studying the flame stabilization mechanism and turbulence-chemistry interactions for a jet in a supersonic crossflow (JISCF) of vitiated air with hydrogen injection upstream of a wall-mounted squared cavity. The corresponding reactive high-speed flow conditions are scrutinized on the basis of numerical simulations of a scramjet model representative of experiments previously conducted at the University of Michigan. The computations are performed with the high-performance computational solver CREAMS, developed to perform the numerical simulation of compressible reactive multi-component flows on massively-parallel architectures. The solver makes use of high-order precision numerical schemes applied on structured meshes and the combustion chamber geometry is modeled by using the Immersed Boundary Method (IBM) algorithm. The present set of computations is conducted within the LES framework and the subgrid viscosity is treated with the wall-adapting local eddy (WALE)model. Two distinct temperatures are considered in the inlet vitiated airstream to study combustion stabilization. Special emphasis is placed on the analysis of the reactive flow topology and structure,and the combustion regimes are analyzed on the basis of standard turbulent combustion diagrams

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Nikfarjam, Farhad. "Extension de la méthode LS-STAG de type frontière immergée/cut-cell aux géométries 3D extrudées : applications aux écoulements newtoniens et non newtoniens." Thesis, Université de Lorraine, 2018. http://www.theses.fr/2018LORR0023/document.

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La méthode LS-STAG est une méthode de type frontière immergée/cut-cell pour le calcul d’écoulements visqueux incompressibles qui est basée sur la méthode MAC pour grilles cartésiennes décalées, où la frontière irrégulière est nettement représentée par sa fonction level-set, résultant en un gain significatif en ressources informatiques par rapport aux codes MFN commerciaux utilisant des maillages qui épousent la géométrie. La version 2D est maintenant bien établie et ce manuscrit présente son extension aux géométries 3D avec une symétrie translationnelle dans la direction z (configurations extrudées 3D). Cette étape intermédiaire sera considérée comme la clé de voûte du solveur 3D complet, puisque les problèmes de discrétisation et d’implémentation sur les machines à mémoire distribuée sont abordés à ce stade de développement. La méthode LS-STAG est ensuite appliquée à divers écoulements newtoniens et non-newtoniens dans des géométries extrudées 3D (conduite axisymétrique, cylindre circulaire, conduite cylindrique avec élargissement brusque, etc.) pour lesquels des résultats de références et des données expérimentales sont disponibles. Le but de ces investigations est d’évaluer la précision de la méthode LS-STAG, d’évaluer la polyvalence de la méthode pour les applications d’écoulement dans différents régimes (fluides newtoniens et rhéofluidifiants, écoulement laminaires stationnaires et instationnaires, écoulements granulaires) et de comparer ses performances avec de méthodes numériques bien établies (méthodes non structurées et de frontières immergées)
The LS-STAG method is an immersed boundary/cut-cell method for viscous incompressible flows based on the staggered MAC arrangement for Cartesian grids where the irregular boundary is sharply represented by its level-set function. This approach results in a significant gain in computer resources compared to commercial body-fitted CFD codes. The 2D version of LS-STAG method is now well-established and this manuscript presents its extension to 3D geometries with translational symmetry in the z direction (3D extruded configurations). This intermediate step will be regarded as the milestone for the full 3D solver, since both discretization and implementation issues on distributed memory machines are tackled at this stage of development. The LS-STAG method is then applied to Newtonian and non-Newtonian flows in 3D extruded geometries (axisymmetric pipe, circular cylinder, duct with an abrupt expansion, etc.) for which benchmark results and experimental data are available. The purpose of these investigations is to evaluate the accuracy of LS-STAG method, to assess the versatility of method for flow applications at various regimes (Newtonian and shear-thinning fluids, steady and unsteady laminar to turbulent flows, granular flows) and to compare its performance with well-established numerical methods (body-fitted and immersed boundary methods)

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Georges-Picot, Alexandre. "Développement de modèles physiques et numériques pour la simulation aux grandes échelles des écoulements dans les tuyères supersoniques." Thesis, Rouen, INSA, 2014. http://www.theses.fr/2014ISAM0024.

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Abstract:

Ces travaux, initiés par le CNES (Centre National d’Etudes Spatiales) dans le cadre du programme de recherche ATAC (Aérodynamique Tuyères et Arrières-Corps), sont principalement consacrés au développement et à la validation de modèles numériques et physiques, pour la prédiction des charges latérales dans les moteurs-fusées. En effet, les systèmes propulsifs mettent en jeu des phénomènes physiques très complexes : mélange turbulent, compressibilité forte (interaction choc/turbulence, couplage de modes vorticité/entropie/acoustique), structures cohérentes et organisations tourbillonnaires dans le cas tridimensionnel, décollements massifs et instabilités à grande échelle. L’analyse de ces phénomènes nécessite le recourt à des modélisations de plus en plus fines basées sur des simulations numériques avancées. Pour faire face au coût prohibitif des simulations directes (ou simulations LES résolues) des couches limites, un nouveau modèle de paroi a été développé, en se basant sur les propriétés d’auto similarité des couches limites compressibles en tuyères supersoniques, et en utilisant des lois de renormalisation dérivées à partir d’une base de données tabulée. Ce modèle permet de prendre en compte la dynamique de l’écoulement tout en réduisant considérablement le nombre de points de calcul et le pas de temps requis pour les simulations LES. Les résultats de calcul mettent en évidence de nombreuses interactions complexes au sein de l’écoulement. En particulier, les interactions amont/aval (supersonique/subsonique),influençant fortement le décollement et la structure de chocs, à l’origine de l’apparition de pics énergétiques associés à des perturbations acoustiques conduisent à l’apparition,par rétroaction, de phénomènes d’instabilités convectives, couplées à des modes globaux dissymétriques en dynamique absolue. Ces phénomènes auto-entretenus sont synonymes d’efforts latéraux et sont représentatifs des expériences menées en laboratoire et sur bancs d’essai moteurs-fusées. En terme d’optimisation des calculs massivement parallèles, une méthode originale, appelée « Drop-Procs », a été développée dans le cadre des frontières immergées. Cette méthode, adaptée aux architectures de calculs intensifs Tier-0, permet une réduction notable du temps CPU (Central Processing Unit), allant jusqu’à 50%, et rendant ainsi ce type de simulations plus accessible à l’échelle industrielle
This work, initiated by the CNES (Centre National d’Etudes Spatiales) in the ATAC research program (Aérodynamique Tuyères et Arrières-Corps), is devoted to the development and the validation of numerical and physical models for the prediction of side-loads in rocket engines. Indeed, propulsion systems involve complex physical phenomena : turbulent mixing, high compressibility (interaction shock / turbulence, coupling modes vorticity / entropy / acoustic), coherent structure, three-dimensional vortex organizations, massive detachment and large scale instabilities. The analysis of these phenomena requires the uses of advanced numerical simulations. To deal with the high cost of large-eddy simulations boundary layers, a new wall model, based on renormalization laws and a database, was developed. This model allows to take into account the dynamics of the flow while significantly reducing the number of calculation points and the time step required for LES simulations. Results show many complex interactions with in the flow. In particular, the upstream / downstream interactions (supersonic / subsonic), strongly influence the separation and the shock structure, causing the occurrence of energy peaks associated with acoustic disturbances and leading to the appearance of convective instability, coupled with global asymmetric modes. These self-sustained phenomena are synonymous of side-loads and are representative of laboratory experiments and rocket engine test benches. In terms of optimization of massively parallel computing, a new method, called "Drop-Procs", was developed as part of the immersed boundaries. This method is suitable for compute-intensive architectures Tier-0 and allows a significant reduction in CPU time (Central Processing Unit) consumption, up to 50%, making this type of simulation accessible for industrials

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Dissertations / Theses on the topic 'Méthode des frontières immergées'

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