Stratégies de parallélisation espace-temps pour la simulation numérique des écoulements turbulents PDF Download
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Book Description
Cette thèse étudie l'application de méthodes de parallélisation en temps pour la simulation numérique directe des écoulements turbulents. Après une étude préliminaire, on choisit de se focaliser sur l'algorithme Parareal avec grossissement spatial. Le comportement de l'algorithme est étudié en premier lieu sur l'équation d'advection, comme simplification des équations de Navier-Stokes, par une analyse de Fourier et une série d'expériences numériques, afin d'en cerner les mécanismes et paramètres dimensionnants. L'algorithme est ensuite étudié dans un contexte HPC, à l'aide du code de simulation massivement parallèle Hybrid. Deux situations d'écoulements turbulents tridimensionnels sont à l'étude: la décroissance d'une turbulence homogène isotrope et l'écoulement de canal turbulent. Ce travail propose une première mesure de l'efficacité de la parallélisation combinée espace-temps, ainsi qu'une évaluation précise de la capacité de l'algorithme à représenter les propriétés physiques de la turbulence.
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Cette thèse étudie l'application de méthodes de parallélisation en temps pour la simulation numérique directe des écoulements turbulents. Après une étude préliminaire, on choisit de se focaliser sur l'algorithme Parareal avec grossissement spatial. Le comportement de l'algorithme est étudié en premier lieu sur l'équation d'advection, comme simplification des équations de Navier-Stokes, par une analyse de Fourier et une série d'expériences numériques, afin d'en cerner les mécanismes et paramètres dimensionnants. L'algorithme est ensuite étudié dans un contexte HPC, à l'aide du code de simulation massivement parallèle Hybrid. Deux situations d'écoulements turbulents tridimensionnels sont à l'étude: la décroissance d'une turbulence homogène isotrope et l'écoulement de canal turbulent. Ce travail propose une première mesure de l'efficacité de la parallélisation combinée espace-temps, ainsi qu'une évaluation précise de la capacité de l'algorithme à représenter les propriétés physiques de la turbulence.
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UN CODE DESTINE AU CALCUL DES ECOULEMENTS TURBULENTS AUTOUR DES BATIMENTS, BAPTISE CHENSI, A ETE DEVELOPPE ET VALIDE SUR DIFFERENTS CAS REELS. LA DISCRETISATION DES TERMES DE CONVECTION DANS LES EQUATIONS DE LA QUANTITE DE MOUVEMENT ET DE TRANSPORT DE K- EST EFFECTUEE AVEC UN SCHEMA EN AMONT PONDERE DANS LE PLAN DE CALCUL, LE COUPLAGE VITESSE-PRESSION UTILISE LA METHODE DE COMPRESSIBILITE ARTIFICIELLE, L'ALGORITHME EST EXPLICITE EN TEMPS, SA CONVERGENCE EST ACCELEREE PAR L'INTRODUCTION D'UN PAS DE TEMPS EVOLUTIF ET LOCAL. LE MODELE DE TURBULENCE EST DU TYPE DE K-. ON UTILISE UNE LOI DE PAROI AFIN D'EVITER LA RESOLUTION DU SYSTEME DES EQUATIONS POUR LA SOUS-COUCHE VISQUEUSE. LE CODE A ETE APPLIQUE AU DEVELOPPEMENT D'UNE COUCHE LIMITE DU A UN CHANGEMENT DE RUGOSITE, A UN ECOULEMENT SUR UNE MARCHE DESCENDANTE, SUR UNE MARCHE MONTANTE ET AU-DESSUS D'UN BLOC BIDIMENSIONNEL. ENFIN LES CAS D'UN ECOULEMENT TRIDIMENSIONNEL AUTOUR D'UN OBSTACLE CUBIQUE ET PARALLELEPIPEDIQUE ONT ETE TRAITES. LA STRUCTURE DE L'ECOULEMENT, LE CHAMP DE VITESSE ET LE CHAMP DE PRESSION SONT CORRECTEMENT PREDITS PAR LE MODELE. CEPENDANT LE CALCUL NUMERIQUE SOUS-ESTIME L'ENERGIE TURBULENTE. L'EXTENSION DU SILLAGE DANS LES SIMULATIONS TRIDIMENSIONNELLES EST SOUS-ESTIMEE PAR LA SIMULATION. LES DIFFERENTES SOURCES D'INCERTITUDE ONT ETE ANALYSEES
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SIMULATION PAR LE CALCUL TRIDIMENSIONNEL NON SEULEMENT DES VALEURS MOYENNES DES VITESSES ET DE LA PRESSION, MAIS AUSSI DE LEURS FLUCTUATIONS INSTANTANEES JUSQU'AUX ECHELLES LES PLUS PETITES POSSIBLES. LES EQUATIONS DU MOUVEMENT TRIDIMENSIONNEL AUX GRANDES ECHELLES DEDUITES DES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES INSTATIONNAIRES SONT DISCRETISEES PAR UN SCHEMA D'EVOLUTION EN DIFFERENCES FINIES. APPLICATION DU CODE NUMERIQUE "TRIDI" A UN ECOULEMENT TURBULENT ENTRE DEUX PAROIS PARALLELES, A LA TURBULENCE HOMOGENE ENTRETENUE PAR UN CISAILLEMENT MOYEN UNIFORME ET A UN ECOULEMENT TURBULENT INDUIT PAR UN JET DANS UNE CAVITE CUBIQUE
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ON PRESENTE DANS CE MEMOIRE LE DEVELOPPEMENT COMPLET D'UN CODE DE CALCUL POUR LA SIMULATION NUMERIQUE DES ECOULEMENTS TRIDIMENSIONNELS TURBULENTS SUR DES GEOMETRIES COMPLEXES. LE SYSTEME D'EQUATIONS A RESOUDRE EST CONSTITUE DES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES EN MOYENNE DE REYNOLDS. LA PREMIERE PARTIE CONCERNE LA SELECTION D'UNE METHODE DE RESOLUTION DU PROBLEME DE COUPLAGE VITESSE-PRESSION. LA METHODE SIMPLER, QUI EST RETENUE EST IMPLICITE EN TEMPS. POUR EN OPTIMISER LES PERFORMANCES, UNE ATTENTION PARTICULIERE EST PRETEE AU SOLVEUR DE SYSTEMES LINEAIRES. L'EVALUATION COMPAREE DE SIX METHODES CONCURRENTES CONDUIT A RETENIR LA METHODE CGSTAB. LA SIMULATION DES ECOULEMENTS SUR DES GEOMETRIES COMPLEXES REQUIERT DE MAILLER LE DOMAINE DE FACON REGULIERE. DEUX METHODES DE GENERATION DE MAILLAGE SONT PRESENTEES: LA METHODE TRANSFINIE ET UNE METHODE DE PROPAGATION DE FRONTS. APRES QUE LA METHODE AUX VOLUMES FINIS DE DISCRETISATION DES EQUATIONS EN FORMULATION CONSERVATIVE AIT ETE PRESENTEE, LA VALIDATION DU CODE EST REALISEE SUR CINQ ECOULEMENTS LAMINAIRES DE REFERENCE, DEPUIS DES CONFIGURATIONS ASSEZ SIMPLES, CARTESIENNES BIDIMENSIONNELLES (CAVITE ENTRAINEE POUR DIFFERENTS NOMBRES DE REYNOLDS), JUSQUE DES CONFIGURATIONS COMPLEXES, CURVILIGNES TRIDIMENSIONNELLES (TUBE A SECTION CARREE COURBE A 90). APRES AVOIR VALIDE LE MODELE DE TURBULENCE DIT DE LAUNDER-SHARMA (1974) DANS UN ECOULEMENT DE CONDUITE EN GEOMETRIE CARTESIENNE, LE CAS D'UNE COLLINE BIDIMENSIONNELLE (ALMEIDA ET AL., 1993) EST ABORDE. LES RESULTATS OBTENUS A L'AIDE DE L'OUTIL SONT COMPARES FAVORABLEMENT AUX DONNEES EXPERIMENTALES
Author: Antonio Cesar Pinho Brasil Junior Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 158
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Dans différents procédés industriels on retrouve le problème de base du mélange de deux fluides. Les caractéristiques complexes des écoulements internes dans les dispositifs de mélange utilises justifient fortement l'utilisation de la simulation numérique, qui doit allier des méthodes numériques performantes et des modèles de turbulence adaptes pour une description précise des phénomènes de transfert de masse ou de chaleur pendant le processus de mélange. L’objectif principal de ce travail est ainsi d'étudier des modèles de turbulence applicables aux situations de mélange industriel. On propose, en outre, une implantation numérique sous la forme d'un code de calcul applicable aux géométries complexes tridimensionnelles. En ce qui concerne le calcul hydrodynamique, on propose l'utilisation du modèle de turbulence a deux équations k- dans un contexte d'écoulement tridimensionnel. On évalue aussi quelques modifications de ce modèle pour le cas ou une rotation d'ensemble agit sur le champ turbulent. Concernant la modélisation du transport scalaire, deux types d'approche sont étudiés à savoir: une approche eulérienne classique avec fermeture au premier ordre, et une autre approche de type lagrangien-stochastique dont l'utilisation est un peu moins classique dans ce type de situation. Face aux géométries complexes qu'on retrouve dans les problèmes de mélange industriel, on a choisi une approche numérique s'appuyant sur la méthode des éléments finis. Un ensemble de résolution de problèmes hydrodynamiques et thermiques est présenté pour lesquels un nombre important d'informations d'origine expérimentale est disponible. On s'intéresse notamment a la résolution d'un problème complexe de mélange dans une situation de jet turbulent tridimensionnel pénétrant perpendiculairement dans une couche limite
Author: Omar El Yahyaoui Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 126
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Dans ce travail, l'aptitude des modèles non-linéaires de turbulence à prédire des écoulements turbulents tridimensionnels avec et sans rotation d'un fluide newtonien et incompressible à été étudiée. Parmi ces modèles, nous avons considéré principalement deux modèles EASM récemment proposés dans la littérature. Le premier est le modèle proposé par Wallin et Johansson (2000) et le second est celui proposé par Gatski et Rumsey (2001). Ces modèles sont étudiés en utilisant des procédures a priori basées sur des données issues de la simulation numérique directe des équations de Navier-Stokes. L'étude est menée dans une conduite à section carrée, configuration qui présente d'une part, une anisotropie importante entre les composantes du tenseur de Reynolds et d'autre part, un écoulement secondaire. L'hypothèse d'équilibre du tenseur d'anisotropie utilisée pour le développement des modèles ASM est vérifiée. L'analyse est réalisée en produisant les cartes des second et troisième invariants dans le plan de Lumley. Pour prédire les effets visqueux importants dus à la présence de la paroi et du coin, une fonction correctrice est mise en oeuvre. Aussi, comme on s'intéresse à l'objectivité de ces modèles, les vecteurs propres du tenseur taux de déformation moyen ainsi que leurs vitesses angulaires sont calculés. Ces quantités sont nécessaires pour déterminer le tenseur taux de rotation absolu. En fin, afin d'étudier l'influence de la rotation sur ces modèles, une conduite de section carrée en rotation est considérée. Cette étude est réalisée pour trois nombres de rotation. La production des cartes des tensions de Reynolds montre la capacité de ces modèles à prédire de tels écoulements.
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LA THESE PRESENTEE TRAITE DE LA SIMULATION NUMERIQUE DES ECOULEMENTS VISQUEUX AUTOUR DE GEOMETRIES DE FORMES COMPLEXES DANS UNE OPTIQUE DE PREDICTION DES CHARGES AERODYNAMIQUES. DIFFERENTS ASPECTS PHYSIQUES SONT EXAMINES, NOTAMMENT LES EFFETS DE LA RUGOSITE DE SURFACE, DE LA TURBULENCE AMONT ET LA TRIDIMENSIONALITE SUR LA STRUCTURE DES ECOULEMENTS. LA METHODE NUMERIQUE UTILISEE EST BASEE SUR UNE APPROCHE VOLUMES FINIS (CODE PHOENICS). LES EQUATIONS DE MOUVEMENT TRANSFORMEES EN COORDONNEES GENERALISEES SONT IMPLICITEMENT RESOLUES. LA FERMETURE DES EQUATIONS EST ASSUREE PAR LE MODELE K-E. L'EFFET DE LA RUGOSITE, DE LA TURBULENCE ET DU NOMBRE DE REYNOLDS SONT CARACTERISES A PARTIR DES RESULTATS DE CALCULS DES ECOULEMENTS AUTOUR DE CYLINDRES BIDIMENSIONNELS ET D'UNE JONCTION CYLINDRE-PLAQUE PLANE. LES EFFETS DES CONDITIONS AUX LIMITES SUR LE CHAMP DE PRESSION MOYENNE ET SUR LA STRUCTURE DE L'ECOULEMENT SONT MIS EN EVIDENCE. L'APPROCHE NUMERIQUE AINSI EVALUEE, EST APPLIQUEE AU CALCUL D'UN ECOULEMENT TURBULENT AUTOUR D'UN BATIMENT REEL. LES RESULTATS SONT COMPARES A CEUX OBTENUS DANS LA SOUFFLERIE A COUCHE LIMITE TURBULENTE DU CSTB. DEUX VARIANTES DU MODELE K-E ONT ETE INTRODUITES A CETTE OCCASION. LE MODELE DE YAP (1988) N'APPORTE PAS D'AMELIORATION DANS LA PREDICTION DE LA SEPARATION DE LA COUCHE LIMITE SUR UNE SURFACE GAUCHE. DE MEME, LE MODELE K-E BASE SUR L'APPROCHE RNG SEMBLE, DANS L'ETAT ACTUEL DE SON DEVELOPPEMENT, INADAPTE AUX CALCULS DES ECOULEMENTS TRIDIMENSIONNELS
Author: Nathalie Richard Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 175
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UNE ETUDE NUMERIQUE ORIGINALE D'ECOULEMENTS INTERNES DANS DES PALES DE TURBINE EST ICI PROPOSEE. L'ECOULEMENT EST EN ROTATION, FAIBLEMENT COMPRESSIBLE ET EN REGIME TURBULENT. LA METHODE EST BASEE, EN PARTICULIER, SUR L'ADJONCTION D'UN TERME DE DARCY DANS LES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES ET SUR L'EMPLOI D'UN MAILLAGE CARTESIEN FIXE, DEFINI A PRIORI. UNE VALIDATION NUMERIQUE BIDIMENSIONNELLE ET TRIDIMENSIONNELLE DE CE MODELE EST EFFECTUEE SUR DE NOMBREUX PROBLEMES ACADEMIQUES POUR DES ECOULEMENTS INCOMPRESSIBLES EN REGIME LAMINAIRE OU TURBULENT, ET EN ROTATION. ENFIN, UNE APPLICATION INDUSTRIELLE DIRECTE DE CE MODELE EST EFFECTUEE SUR UNE PALE DE TURBINE.
Author: Simon Keghian Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 288
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LES ECOULEMENTS DANS LES ENTREES D'AIR HYPERSONIQUE SONT FORTEMENT TRIDIMENSIONNELS, COMPRESSIBLES ET TURBULENTS. LA SIMULATION NUMERIQUE DE CES ECOULEMENTS IMPOSE D'UTILISER DES SCHEMAS CONVECTIFS LES PLUS PRECIS ET ROBUSTES POSSIBLES. DE PLUS, L'UTILISATION DE MODELES ALGEBRIQUES DE TURBULENCE NECESSITE DE LES ETENDRE A DES CONFIGURATIONS TRIDIMENSIONNELLES. NOUS ETUDIONS D'ABORD LES SCHEMAS NUMERIQUES, AFIN DE DETERMINER LES MEILLEURS COMPROMIS POUR CE TYPE D'ECOULEMENT. NOUS ETUDIONS EN PARTICULIER UN NOUVEAU SCHEMA HYBRIDE ROE/VAN LEER, POUR LEQUEL NOUS METTONS EN EVIDENCE UNE INCOMPATIBILITE. ENSUITE, NOUS ETUDIONS DIFFERENTES EXTENSIONS POSSIBLES DU MODELE ALGEBRIQUE DE BALDWIN-LOMAX POUR LE CALCUL DE CONFIGURATIONS D'ENTREE D'AIR. EN PARTICULIER, NOUS AVONS DEGAGE DEUX CLASSES D'EXTENSIONS TRIDIMENSIONNELLES ET ANALYSE CES DERNIERES AFIN DE DETERMINER LE TYPE D'EXTENSION LE PLUS ADAPTE
Author: Marc Jaeger Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 293
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L'objet de cette étude est la recherche d'un outil efficace de prédiction des écoulements turbulents complexes, rencontrés dans les problèmes d'ingéniérie. La technique numérique choisie est la méthode des éléments finis, et seuls les écoulements incompressibles et isothermes de fluides newtoniens sont considérés. Un exposé du problème posé par la simulation numérique des écoulements turbulents ainsi que les méthodes de simulation par modélisation des structures de sous-maille, qui découlent naturellement de cette analyse, sont présentés. L'utilisation de la technique de l'homogénéisation, qui rentre dans cette catégorie, est également décrite. L'autre façon d'aborder le problème est statistique. Et la notion de description statistique de la turbulence étant introduite, une sélection des modèles statistiques en un point est entreprise. Les deux modèles retenus, modèle K- et modèle aux tensions de Reynolds algébrique (A.S.M.), font l'objet d'une analyse détaillée. L'accent est mis sur la nécéssité, pour les écoulements à géometrie complexe, d'une formulation du modèle K- non limitée aux grands nombres de Reynolds, conduisant à une utilisation plus rigoureuse de la technique des fonctions de paroi, dont une expression généralisée est proposée. Le modèle A.S.M. quant à lui, est exprimé de façon à mettre en evidence son lien avec le modèle K-, ce qui autorise par ailleurs une formulation tridimensionnelle par éléments finis commune de ces deux modèles, exposée en détail. Une discussion sur les performances de cette formulation du modèle K-, ainsi que sur les difficultés numériques liées à l'utilisation de ce modèle dans le cadre des éléments finis, est enfin conduite à partir d'exemples numériques.
Author: Thibaut Lunet (doctorant).)
Author: Thibaut Lunet (doctorant).)
Author: CUNXIAO.. ZHANG
Author: Frédéric Baron
Author: CHARLES.. MOULINEC
Author: Antonio Cesar Pinho Brasil Junior
Author: Omar El Yahyaoui
Author: DJAMEL.. LAKEHAL
Author: Nathalie Richard
Author: Simon Keghian
Author: Marc Jaeger