Dissertations / Theses on the topic 'Non-parallel structure'

This work details the development of a computational tool that can accurately model strongly-coupled fluid-structure-interaction (FSI) problems, with a particular focus on thin-walled structures undergoing large, geometrically non-linear deformations, which has a major interest in, amongst others, the aerospace and biomedical industries. The first part of this work investigates improving the efficiency with which a stable and robust in-house code, Elemental, models thin structures undergoing dynamic fluid-induced bending deformations. Variations of the existing finite volume formulation as well as linear and higher-order finite element formulations are implemented. The governing equations for the solid domain are formulated in a total Lagrangian or undeformed conguration and large geometrically non-linear deformations are accounted for. The set of equations is solved via a single-step Jacobi iterative scheme which is implemented such as to ensure a matrix-free and robust solution. Second-order accurate temporal discretisation is achieved via dual-timestepping, with both consistent and lumped mass matrices and with a Jacobi pseudo-time iteration method employed for solution purposes. The matrix-free approach makes the scheme particularly well-suited for distributed memory parallel hardware architectures. Three key outcomes, not well documented in literature, are highlighted: the issue of shear locking or sensitivity to element aspect ratio, which is a common problem with the linear Q4 finite element formulation when subjected to bending, is evaluated on the finite volume formulations; a rigorous comparison of finite element vs. finite volume methods on geometrically non-linear structures is done; a higher-order finite volume solid mechanics procedure is developed and evaluated. The second part of this work is concerned with fluid-structure interaction (FSI) modelling. It considers the implementation and coupling of a higher order finite element structural solver with the existing finite volume fluid-flow solver in Elemental. To the author’s knowledge, this is the first instance in which a strongly-coupled hybrid finite element–finite volume FSI formulation is developed. The coupling between the fluid and structural components with non-matching nodes is rigorously assessed. A new partitioned fluid-solid interface coupling methodology is also developed, which ensures stable partitioned solution for strongly-coupled problems without any additional computational overhead. The solver is parallelised for distributed memory parallel hardware architectures. The developed technology is successfully validated through rigorous temporal and mesh independent studies of representative two-dimensional strongly-coupled large-displacement FSI test problems for which analytical or benchmark solutions exist.
Dissertation (MEng)--University of Pretoria, 2012.
Mechanical and Aeronautical Engineering
unrestricted

In the past years the so-called body-centered cubic grid (bcc) has been examined and proved to be superior over Cartesian lattices for certain applications. Our work deals with parallel thinning on these bcc grids. We introduce conditions which are sufficient for retaining topology and suggest additional conditions to influence the shape of the resulting skeleton. We further developed an algorithm to extract curve skeletons out of 3d objects in parallel which we also present here. We show in our results that the developed thinning approach on bcc grids is extremely efficient.

O estudo do comportamento mecânico do complexo sistema advindo da interação entre solo/subestrutura/superestrutura é o tema do trabalho. Neste contexto, a representação do maciço é feita usando-se o método dos elementos de contorno (MEC) em abordagem 3D, de maneira que se possa simular o maciço com características mecânicas não-homogêneas, além de se considerar uma camada de apoio indeslocável a distâncias prescritas a priori e condição de aderência perfeita. A subestrutura também é representada via MEC tridimensional, a qual está imersa dentro deste meio heterogêneo. A infra e a superestrutura são modeladas empregando o método dos elementos finitos (MEF), com o uso de elementos estruturais reticulares e elementos laminares. São apresentados alguns exemplos em que se valida a formulação e outros que demonstram a potencialidade e a necessidade de se empregar a formulação para a melhor análise do complexo fenômeno em estudo. Por fim, demonstra-se a obrigatoriedade de se otimizar a formulação, empregando-se duas grandes ferramentas numéricas: o paralelismo e o emprego de um adequado método de resolução de sistemas esparsos.
The analysis of the soil-structure system interaction is a vast field of interest in the area of civil engineering. A realistic representation of its behaviour. Thus, in the present research, the soil is considered a non-homogeneous continuum supported by a rigid and adhesive interface and modelled by boundary element method via Kelvin solution in 3D space. The foundation is also modelled by this above-mentioned modelling technique. The raft foundation and the superstructure are represented by finite shell and 3D frame elements. In order to estimate the accuracy and the potentiality of the proposed numerical formulation, some examples are validated when compared to similar approaches, and others simulations are presented to stress the necessity of coupling the non-homogeneous soil-foundation-radier-superstructure system as a whole. Finally, to acquire numerical time efficiency, it is shown that it is imperative to apply parallel processing and sparse techniques for the solution of the final system.

The objective of this research is to develop an efficient and accurate methodology to resolve flow non-linearity of fluid-structural interaction. To achieve this purpose, a numerical strategy to apply the detached-eddy simulation (DES) with a fully coupled fluid-structural interaction model is established for the first time. The following novel numerical algorithms are also created: a general sub-domain boundary mapping procedure for parallel computation to reduce wall clock simulation time, an efficient and low diffusion E-CUSP (LDE) scheme used as a Riemann solver to resolve discontinuities with minimal numerical dissipation, and an implicit high order accuracy weighted essentially non-oscillatory (WENO) scheme to capture shock waves. The Detached-Eddy Simulation is based on the model proposed by Spalart in 1997. Near solid walls within wall boundary layers, the Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) equations are solved. Outside of the wall boundary layers, the 3D filtered compressible Navier-Stokes equations are solved based on large eddy simulation(LES). The Spalart-Allmaras one equation turbulence model is solved to provide the Reynolds stresses in the RANS region and the subgrid scale stresses in the LES region. An improved 5th order finite differencing weighted essentially non-oscillatory (WENO) scheme with an optimized epsilon value is employed for the inviscid fluxes. The new LDE scheme used with the WENO scheme is able to capture crisp shock profiles and exact contact surfaces. A set of fully conservative 4th order finite central differencing schemes are used for the viscous terms. The 3D Navier-Stokes equations are discretized based on a conservative finite differencing scheme, which is implemented by shifting the solution points half grid interval in each direction on the computational domain. The solution points are hence located in the center of the grid cells in the computational domain (not physical domain). This makes it possible to use the same code structure as a 2nd order finite volume method. A finite differencing high order WENO scheme is used since a finite differencing WENO scheme is much more efficient than a finite volume WENO scheme. The unfactored line Gauss-Seidel relaxation iteration is employed for time marching. For the time accurate unsteady simulation, the temporal terms are discretized using the 2nd order accuracy backward differencing. A pseudo temporal term is introduced for the unsteady calculation following Jameson's method. Within each physical time step, the solution is iterated until converged based on pseudo time step. A general sub-domain boundary mapping procedure is developed for arbitrary topology multi-block structured grids with grid points matched on sub-domain boundaries. The interface of two adjacent blocks is uniquely defined according to each local mesh index system (MIS) which is specified independently. A pack/unpack procedure based on the definition of the interface is developed to exchange the data in a 1D array to minimize data communication. A secure send/receive procedure is employed to remove the possibility of blocked communication and achieve optimum parallel computation efficiency. Two terms, "Order" and "Orientation", are introduced as the logics defining the relationship of adjacent blocks. The domain partitioning treatment of the implicit matrices is to simply discard the corner matrices so that the implicit Gauss-Seidel iteration can be implemented within each subdomain. This general sub-domain boundary mapping procedure is demonstrated to have high scalability. Extensive numerical experiments are conducted to test the performance of the numerical algorithms. The LDE scheme is compared with the Roe scheme for their behavior with RANS simulation. Both the LDE and the Roe scheme can use high CFL numbers and achieve high convergence rates for the algebraic Baldwin-Lomax turbulence model. For the Spalart-Allmaras one equation turbulence model, the extra equation changes the Jacobian of the Roe scheme and weakens the diagonal dominance. It reduces the maximum CFL number permitted by the Roe scheme and hence decreases the convergence rate. The LDE scheme is only slightly affected by the extra equation and maintains high CFL number and convergence rate. The high stability and convergence rate using the Spalart-Allmaras one equation turbulence model is important since the DES uses the same transport equation for the turbulence stresses closure. The RANS simulation with the Spalart-Allmaras one equation turbulence model is the foundation for DES and is hence validated with other transonic flows including a 2D subsonic flat plate turbulent boundary layer, 2D transonic inlet-diffuser, 2D RAE2822 airfoil, 3D ONERA M6 wing, and a 3D transonic duct with shock boundary layer interaction. The predicted results agree very well with the experiments. The RANS code is then further used to study the slot size effect of a co-flow jet (CFJ) airfoil. The DES solver with fully coupled fluid-structural interaction methodology is validated with vortex induced vibration of a cylinder and a transonic forced pitching airfoil. For the cylinder, the laminar Navier-Stokes equations are solved due to the low Reynolds number. The 3D effects are observed in both stationary and oscillating cylinder simulation because of the flow separations behind the cylinder. For the transonic forced pitching airfoil DES computation, there is no flow separation in the flow field. The DES results agree well with the RANS results. These two cases indicate that the DES is more effective on predicting flow separation. The DES code is used to simulate the limited cycle oscillation of NLR7301 airfoil. For the cases computed in this research, the predicted LCO frequency, amplitudes, averaged lift and moment, all agree excellently with the experiment. The solutions appear to have bifurcation and are dependent on the initial perturbation. The developed methodology is able to capture the LCO with very small amplitudes measured in the experiment. This is attributed to the high order low diffusion schemes, fully coupled FSI model, and the turbulence model used. This research appears to be the first time that a numerical simulation of LCO matches the experiment. The DES code is also used to simulate the CFJ airfoil jet mixing at high angle of attack. In conclusion, the numerical strategy of the high order DES with fully coupled FSI model and parallel computing developed in this research is demonstrated to have high accuracy, robustness, and efficiency. Future work to further maturate the methodology is suggested.

L'objectif principal est de faire premiers pas vers la conception topologique de structures hétérogènes à comportement non-linéaires. Le deuxième objectif est d’optimiser simultanément la topologie de la structure et du matériau. Il requiert la combinaison des méthodes de conception optimale et des approches de modélisation multi-échelle. En raison des lourdes exigences de calcul, nous avons introduit des techniques de réduction de modèle et de calcul parallèle. Nous avons développé tout d’abord un cadre de conception multi-échelle constitué de l’optimisation topologique et la modélisation multi-échelle. Ce cadre fournit un outil automatique pour des structures dont le modèle de matériau sous-jacent est directement régi par la géométrie de la microstructure réaliste et des lois de comportement microscopiques. Nous avons ensuite étendu le cadre en introduisant des variables supplémentaires à l’échelle microscopique pour effectuer la conception simultanée de la structure et de la microstructure. En ce qui concerne les exigences de calcul et de stockage de données en raison de multiples réalisations de calcul multi-échelle sur les configurations similaires, nous avons introduit: les approches de réduction de modèle. Nous avons développé un substitut d'apprentissage adaptatif pour le cas de l’élasticité non-linéaire. Pour viscoplasticité, nous avons collaboré avec le Professeur Felix Fritzen de l’Université de Stuttgart en utilisant son modèle de réduction avec la programmation parallèle sur GPU. Nous avons également adopté une autre approche basée sur le potentiel de réduction issue de la littérature pour améliorer l’efficacité de la conception simultanée
High-performance heterogeneous materials have been increasingly used nowadays for their advantageous overall characteristics resulting in superior structural mechanical performance. The pronounced heterogeneities of materials have significant impact on the structural behavior that one needs to account for both material microscopic heterogeneities and constituent behaviors to achieve reliable structural designs. Meanwhile, the fast progress of material science and the latest development of 3D printing techniques make it possible to generate more innovative, lightweight, and structurally efficient designs through controlling the composition and the microstructure of material at the microscopic scale. In this thesis, we have made first attempts towards topology optimization design of multiscale nonlinear structures, including design of highly heterogeneous structures, material microstructural design, and simultaneous design of structure and materials. We have primarily developed a multiscale design framework, constituted of two key ingredients : multiscale modeling for structural performance simulation and topology optimization forstructural design. With regard to the first ingredient, we employ the first-order computational homogenization method FE2 to bridge structural and material scales. With regard to the second ingredient, we apply the method Bi-directional Evolutionary Structural Optimization (BESO) to perform topology optimization. In contrast to the conventional nonlinear design of homogeneous structures, this design framework provides an automatic design tool for nonlinear highly heterogeneous structures of which the underlying material model is governed directly by the realistic microstructural geometry and the microscopic constitutive laws. Note that the FE2 method is extremely expensive in terms of computing time and storage requirement. The dilemma of heavy computational burden is even more pronounced when it comes to topology optimization : not only is it required to solve the time-consuming multiscale problem once, but for many different realizations of the structural topology. Meanwhile we note that the optimization process requires multiple design loops involving similar or even repeated computations at the microscopic scale. For these reasons, we introduce to the design framework a third ingredient : reduced-order modeling (ROM). We develop an adaptive surrogate model using snapshot Proper Orthogonal Decomposition (POD) and Diffuse Approximation to substitute the microscopic solutions. The surrogate model is initially built by the first design iteration and updated adaptively in the subsequent design iterations. This surrogate model has shown promising performance in terms of reducing computing cost and modeling accuracy when applied to the design framework for nonlinear elastic cases. As for more severe material nonlinearity, we employ directly an established method potential based Reduced Basis Model Order Reduction (pRBMOR). The key idea of pRBMOR is to approximate the internal variables of the dissipative material by a precomputed reduced basis computed from snapshot POD. To drastically accelerate the computing procedure, pRBMOR has been implemented by parallelization on modern Graphics Processing Units (GPUs). The implementation of pRBMOR with GPU acceleration enables us to realize the design of multiscale elastoviscoplastic structures using the previously developed design framework inrealistic computing time and with affordable memory requirement. We have so far assumed a fixed material microstructure at the microscopic scale. The remaining part of the thesis is dedicated to simultaneous design of both macroscopic structure and microscopic materials. By the previously established multiscale design framework, we have topology variables and volume constraints defined at both scales

This thesis deals with the correlative markers d’une part… d’autre part, d’un côté… de l’autre and non seulement… mais in French and their Swedish counterparts dels… dels, å ena sidan… å andra sidan and inte bara… utan. These markers are composed of two separate parts generally occurring together, and announce a serial of at least two textual units to be considered together. The analyses of the use of these three French and three Swedish markers are based upon two corpora of non-academic humanities texts. The first, principal corpus, is composed only of original French and Swedish texts. The second, complementary corpus, is composed of source texts in the two languages and their translations in the other language. By the combination of these two corpora, this study is comparative as well as contrastive. Through application of the Geneva model of discourse analysis and the Rhetorical Structure Theory, a semantic and functional approach to correlative markers and their text-structural role is adopted. The study shows similarities as well as differences between the six markers, both within each language and between the languages. D’une part… d’autre part and dels… dels principally mark a conjunctive relation, whereas d’un côté… de l’autre and å ena sidan… å andra sidan more often are used in  a contrastive relation, even though they all can be used for both kinds of relations. Non seulement… mais and inte bara… utan mark a conjunctive relation, but can also indicate that the second argument is stronger than the first one. By the use of these two markers, the language users also present the first one as given and the second one as new information. In general, the French correlative markers appear to have a more argumentative function, whereas the text-structural function is demonstrated to be the most important in Swedish.

L'objectif de cette thèse était de proposer, puis de valider expérimentalement, un ensemble de méthodes algorithmiques permettant le remaillage parallèle de maillages distribués, en s'appuyant sur une méthode séquentielle de remaillage préexistante. Cet objectif a été atteint par étapes : définition de structures de données et de schémas de communication adaptés aux maillages distribués, permettant le déplacement à moindre coût des interfaces entre sous-domaines sur les processeurs d'une architecture à mémoire distribuée ; utilisation d'algorithmes de répartition dynamique de la charge adaptés aux techniques parallèles de remaillage ; conception d'algorithmes parallèles permettant de scinder le problème global de remaillage parallèle en plusieurs sous-tâches séquentielles, susceptibles de s'exécuter concurremment sur les processeurs de la machine parallèle. Ces contributions ont été mises en oeuvre au sein de la bibliothèque parallèle PaMPA, en s'appuyant sur les briques logicielles MMG3D (remaillage séquentiel de maillages tétraédriques) et PT-Scotch (repartitionnement parallèle de graphes). La bibliothèque PaMPA offre ainsi les fonctionnalités suivantes : communication transparente entre processeurs voisins des valeurs portées par les noeuds, les éléments, etc. ;remaillage, selon des critères fournis par l'utilisateur, de portions du maillage distribué, en offrant une qualité constante, que les éléments à remailler soient portés par un unique processeur ou bien répartis sur plusieurs d'entre eux ; répartition et redistribution de la charge des maillages pour préserver l'efficacité des simulations après remaillage.

É notório que o emprego de unidades de processamento gráfico (GPU) pode acelerar significativamente métodos numéricos de aplicações científicas. Para suportar essa nova tecnologia, é necessário que programas sejam readaptados, exigindo flexibilidade do código. Nesse trabalho, é apresentada a arquitetura de um programa de elementos finitos (MEF) para a análise de estruturas, com suporte ao processamento em GPU. A orientação a objetos é usada para guiar o desenvolvimento e modelar o código em uma estrutura flexível. A escalabilidade do programa é dada pela extensão de suas funcionalidades através de componentes carregados em tempo de execução. Para ilustrar a robustez do código, o software é aplicado para o estudo de dinâmica estrutural, considerando aspectos complexos de não linearidade de material (plasticidade) e geometria (grandes deslocamentos). A acurácia do código é verificada através da comparação com problemas conhecidos da literatura e com as soluções MEF comerciais (ABAQUS). As comparações mostraram uma boa concordância nos resultados. O speedup da GPU é analisado em relação aos tempos de CPU do próprio programa, sendo observado ganhos de desempenho de até 10 vezes.
It has been recognized that the adoption of graphics processing units (GPU) can significantly boost numerical methods in scientific applications. In order to support such technology, it is necessary to readapt the program, which requires code flexibility. In this work, it is presented the architecture of a finite element (FEM) analysis program for structural analysis with GPU support. Object-oriented design is used to guide development and to build code into a flexible structure. Program scalability is achieved by extensibility of its features, provided by run-time loaded components. In order to demonstrate code robustness, the software is directed to the study of structural dynamics, considering complex non-linear aspects of material (plasticity) and geometry (large displacements). Code accuracy is checked by comparing with known literature problems and with commercial solver packages (ABAQUS). The comparison shows good agreement in the results. The GPU code speedup is analysed against timings of CPU program code, where it is observed performance gain up to 10 times.

Mirrors and Vanities is a multi-modal collection which showcases the diversity of working in long and short storytelling forms. Featured in this thesis are fiction, nonfiction, graphic narrative, and screenplay. Using unconventional approaches to storytelling in order to achieve emotional resonance with the audience while maintaining high standards for craft, these stories and essays explore the costs inherent to the subtle nuances of interpersonal relationships. The fiction focuses on the complications of characters keeping secrets. A husband discovers the truth behind his wife's miscarriage. A girl visits her fiance in purgatory. A boy crosses a line and loses his best friend. Meanwhile, the nonfiction centers on self-discovery and gender roles associated with power struggles. A schizophrenic threatens to ruin my mother's wedding. I rediscover my relationship with my father through food writing. Sword-work teaches me to fail and succeed at making martial art. The title work of the thesis is a collaged story highlighting the tribulations of a physicist fixated on recovering his lost love by manipulating the multiverse. The multi-modal format implicates the nebulosity of physics theories and how different aspects of the narrative can be presented in various formats to best suit the nature of the storytelling. Through the interactions of characters in mundane and extraordinary circumstances, the works in this thesis examine the consequences of choice, the contrast between reality and expectation, coming of age, and the Truth of narrative.
M.F.A.
Masters
English
Arts and Humanities
Creative Writing

De nombreuses applications industrielles mettent en jeu des écoulements gaz-particules, comme les turbines aéronautiques et les réacteurs a lit fluidisé de l'industrie chimique. La prédiction des propriétés de la phase dispersée, est essentielle à l'amélioration et la conception des dispositifs conformément aux nouvelles normes européennes des émissions polluantes. L'objectif de cette these est de développer le formalisme Euler- Lagrange dans un solveur parallèle et non-structuré pour la simulation aux grandes échelles pour ce type d'écoulements. Ce travail est motivé par l'augmentation rapide de la puissance de calcul des machines massivement parallèles qui ouvre une nouvelle voie pour des simulations qui étaient prohibitives il y a une décennie. Une attention particulière a été portée aux structures de données afin de conserver une certaine simplicité et la portabilité du code sur des differentes! architectures. Les développements sont validés pour deux configurations : un cas académique de turbulence homogène isotrope décroissante et un calcul polydisperse d'un jet turbulent recirculant chargé en particules. L'équilibrage de charges de particules est mis en évidence comme une solution prometteuse pour les simulations diphasiques Lagrangiennes afin d'améliorer les performances des calculs lorsque le déséquilibrage est trop important
Particle-laden flows occur in industrial applications ranging from droplets in gas turbines tofluidized bed in chemical industry. Prediction of the dispersed phase properties such as concentration and dynamics are crucial for the design of more efficient devices that meet the new pollutant regulations of the European community. The objective of this thesis is to develop an Euler-Lagrange formulation on a parallel and unstructured solver for large- eddy simulation. This work is motivated by the rapid increase in computing power which opens a new way for simulations that were prohibitive one decade ago. Special attention is taken to keep data structure simplicity and code portability. Developments are validated in two configurations : an academic test of a decaying homogeneous isotropic turbulence and a polydisperse two-phase flow of a confined bluff body. The use of load-balancing capabilities is highlighted as a promising solut! ion in Lagrangian two-phase flow simulations to improve performance when strong imbalance of the dispersed phase is present

La simulation numérique est aujourd'hui un outils majeur dans la conception des objets aérodynamiques, que ce soit dans l'aéronautique, l'automobile, l'industrie navale, etc... Un des défis majeurs pour repousser les limites des codes de simulation est d'améliorer leur précision, tout en utilisant une quantité fixe de ressources (puissance et/ou temps de calcul). Cet objectif peut être atteint par deux approches différentes, soit en construisant une discrétisation fournissant sur un maillage donné une solution d'ordre très élevé, soit en construisant un schéma compact et massivement parallélisable, de manière à minimiser le temps de calcul en distribuant le problème sur un grand nombre de processeurs. Dans cette thèse, nous tentons de rassembler ces deux approches par le développement et l'implémentation de Schéma Distribuant le Résidu (RDS) d'ordre très élevé et de compacité maximale. Ce manuscrit commence par un rappel des principaux résultats mathématiques concernant les Lois de Conservation hyperboliques (CLs). Le but de cette première partie est de mettre en évidence les propriétés des solutions analytiques que nous cherchons à approcher, de manière à injecter ces propriétés dans celles de la solution discrète recherchée. Nous décrivons ensuite les trois étapes principales de la construction d'un schéma RD d'ordre très élevé : \begin{itemize} \item la représentation polynomiale d'ordre très élevé de la solution sur des polygones et des polyèdres; \item la description de méthodes distribuant le résidu de faible ordre, compactes et conservatives, consistantes avec une représentation polynomiale des données de très haut degré. Parmi elles, une attention particulière est donnée à la plus simple, issue d'une généralisation du schéma de Lax-Friedrichs (LxF); \item la mise en place d'une procédure préservant la positivité qui transforme tout schéma stable et linéaire, en un schéma non linéaire d'ordre très élevé, capturant les chocs de manière non oscillante. \end{itemize} Dans le manuscrit, nous montrons que les schémas obtenus par cette procédure sont consistants avec la CL considérée, qu'ils sont stables en norme $\L^{\infty}$ et qu'ils ont la bonne erreur de troncature. Même si tous ces développements théoriques ne sont démontrés que dans le cas de CL scalaires, des remarques au sujet des problèmes vectoriels sont faites dès que cela est possible. Malheureusement, lorsqu'on considère le schéma LxF, le problème algébrique non linéaire associé à la recherche de la solution stationnaire est en général mal posé. En particulier, on observe l'apparition de modes parasites de haute fréquence dans les régions de faible gradient. Ceux-ci sont éliminés grâce à un terme supplémentaire de stabilisation dont les effets et l'évaluation numérique sont précisément détaillés. Enfin, nous nous intéressons à une discrétisation correcte des conditions limites pour le schéma d'ordre élevé proposé. Cette théorie est ensuite illustrée sur des cas test scalaires bidimensionnels simples. Afin de montrer la généralité de notre approche, des maillages composés uniquement de triangles et des maillages hybrides, composés de triangles et de quadrangles, sont utilisés. Les résultats obtenus par ces tests confirment ce qui est attendu par la théorie et mettent en avant certains avantages des maillages hybrides. Nous considérons ensuite des solutions bidimensionnelles des équations d'Euler de la dynamique des gaz. Les résultats sont assez bons, mais on perd les pentes de convergence attendues dès que des conditions limite de paroi sont utilisées. Ce problème nécessite encore d'être étudié. Nous présentons alors l'implémentation parallèle du schéma. Celle-ci est analysée et illustrée à travers des cas test tridimensionnel de grande taille. Du fait de la relative nouveauté et de la complexité des problèmes tridimensionels, seuls des remarques qualitatives sont faites pour ces cas test : le comportement global semble être bon, mais plus de travail est encore nécessaire pour définir les propriétés du schémas en trois dimensions. Enfin, nous présentons une extension possible du schéma aux équations de Navier-Stokes dans laquelle les termes visqueux sont traités par une formulation de type Galerkin. La consistance de cette formulation avec les équations de Navier-Stokes est démontrée et quelques remarques au sujet de la précision du schéma sont soulevées. La méthode est validé sur une couche limite de Blasius pour laquelle nous obtenons des résultats satisfaisants. Ce travail offre une meilleure compréhension des propriétés générales des schémas RD d'ordre très élevé et soulève de nouvelles questions pour des améliorations futures. Ces améliorations devrait faire des schémas RD une alternative attractive aux discrétisations classiques FV ou ENO/WENO, aussi bien qu'aux schémas Galerkin Discontinu d'ordre très élevé, de plus en plus populaires.

Nous abordons le développement d'une nouvelle génération de méthodes numériques pour la résolution des EDP évolutives qui modélisent des phénomènes multi-échelles en temps et en espace issus de divers domaines applicatifs. La raideur associée à ce type de problème, que ce soit via le terme source chimique qui présente un large spectre d'échelles de temps caractéristiques ou encore via la présence de fort gradients très localisés associés aux fronts de réaction, implique en général de sévères difficultés numériques. En conséquence, il s'agit de développer des méthodes qui garantissent la précision des résultats en présence de forte raideur en s'appuyant sur des outils théoriques solides, tout en permettant une implémentation aussi efficace. Même si nous étendons ces idées à des systèmes plus généraux par la suite, ce travail se focalise sur les systèmes de réaction-diffusion raides. La base de la stratégie numérique s'appuie sur une décomposition d'opérateur spécifique, dont le pas de temps est choisi de manière à respecter un niveau de précision donné par la physique du problème, et pour laquelle chaque sous-pas utilise un intégrateur temporel d'ordre élevé dédié. Ce schéma numérique est ensuite couplé à une approche de multirésolution spatiale adaptative permettant une représentation de la solution sur un maillage dynamique adapté. L'ensemble de cette stratégie a conduit au développement du code de simulation générique 1D/2D/3D académique MBARETE de manière à évaluer les développements théoriques et numériques dans le contexte de configurations pratiques raides issue de plusieurs domaines d'application. L'efficacité algorithmique de la méthode est démontrée par la simulation d'ondes de réaction raides dans le domaine de la dynamique chimique non-linéaire et dans celui de l'ingénierie biomédicale pour la simulation des accidents vasculaires cérébraux caractérisée par un terme source "chimique complexe''. Pour étendre l'approche à des applications plus complexes et plus fortement instationnaires, nous introduisons pour la première fois une technique de séparation d'opérateur avec pas de temps adaptatif qui permet d'atteindre une précision donnée garantie malgré la raideur des EDP. La méthode de résolution adaptative en temps et en espace qui en résulte, étendue au cas convectif, permet une description consistante de problèmes impliquant une très large palette d'échelles de temps et d'espace et des scénarios physiques très différents, que ce soit la propagation des décharges répétitives pulsées nanoseconde dans le domaine des plasmas ou bien l'allumage et la propagation de flammes dans celui de la combustion. L'objectif de la thèse est l'obtention d'un solveur numérique qui permet la résolution des EDP raides avec contrôle de la précision du calcul en se basant sur des outils d'analyse numérique rigoureux, et en utilisant des moyens de calculs standard. Quelques études complémentaires sont aussi présentées comme la parallélisation temporelle, des techniques de parallélisation à mémoire partagée et des outils de caractérisation mathématique des schémas de type séparation d'opérateur.

A high-order central essentially non-oscillatory (CENO) finite-volume scheme in combination with a block-based adaptive mesh refinement (AMR) algorithm is proposed for solution of hyperbolic and elliptic systems of conservation laws on body- fitted multi-block mesh. The spatial discretization of the hyperbolic (inviscid) terms is based on a hybrid solution reconstruction procedure that combines an unlimited high-order k-exact least-squares reconstruction technique following from a fixed central stencil with a monotonicity preserving limited piecewise linear reconstruction algorithm. The limited reconstruction is applied to computational cells with under-resolved solution content and the unlimited k-exact reconstruction procedure is used for cells in which the solution is fully resolved. Switching in the hybrid procedure is determined by a solution smoothness indicator. The hybrid approach avoids the complexity associated with other ENO schemes that require reconstruction on multiple stencils and therefore, would seem very well suited for extension to unstructured meshes. The high-order elliptic (viscous) fluxes are computed based on a k-order accurate average gradient derived from a (k+1)-order accurate reconstruction. A novel h-refinement criterion based on the solution smoothness indicator is used to direct the steady and unsteady refinement of the AMR mesh. The predictive capabilities of the proposed high-order AMR scheme are demonstrated for the Euler and Navier-Stokes equations governing two-dimensional compressible gaseous flows as well as for advection-diffusion problems characterized by the full range of Peclet numbers, Pe. The ability of the scheme to accurately represent solutions with smooth extrema and yet robustly handle under-resolved and/or non-smooth solution content (i.e., shocks and other discontinuities) is shown for a range of problems. Moreover, the ability to perform mesh refinement in regions of smooth but under-resolved and/or non-smooth solution content to achieve the desired resolution is also demonstrated.

Lors de la rentrée atmosphérique nous sommes amenés à modéliser trois phénomènes physiques différents. Tout d'abord, l'écoulement autour du véhicule entrant dans l'atmosphère est hypersonique, il est caractérisé par la présence d'un choc fort et provoque un fort échauffement du véhicule. Nous modélisons l'écoulement par les équations de Navier-Stokes compressibles et l'échauffement du véhicule au moyen de la thermique anisotrope. De plus le véhicule est protégé par un bouclier thermique siège de réactions chimiques que l'on nomme communément ablation.

Dans le premier chapitre de cette thèse nous présentons le schéma numérique de diffusion CCLAD (Cell-Centered LAgrangian Diffusion) que nous utilisons pour résoudre la thermique anisotrope. Nous présentons l'extension en trois dimensions de ce schéma ainsi que sa parallélisation.
Nous continuons le manuscrit en abordant l'extension de ce schéma à une équation de diffusion tensorielle. Cette équation est obtenue en supprimant les termes convectifs de l'équation de quantité de mouvement des équations de Navier-Stokes. Nous verrons qu'une pénalisation doit être introduite afin de pouvoir inverser la loi constitutive et ainsi appliquer la méthodologie CCLAD. Nous présentons les propriétés numériques du schéma ainsi obtenu et effectuons des validations numériques.
Dans le dernier chapitre, nous présentons un schéma numérique de type Volumes Finis permettant de résoudre les équations de Navier-Stokes sur des maillages non-structurés obtenu en réutilisant les deux schémas de diffusion présentés précédemment.