Stratégies de parallélisation espace-temps pour la simulation numérique des écoulements turbulents PDF Download
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Author: Thibaut Lunet (doctorant).)
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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.
Author: Thibaut Lunet (doctorant).)
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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.
Author: Guillaume Jeanmasson
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La simulation instationnaire d'écoulements turbulents (LES : Large Eddy Simulation, par exemple) reste à l'heure actuelle coûteuse en terme de temps de calcul. Un travail sur les méthodes numériques d'intégration temporelle des équations de la mécanique des fluides peut rendre de type de simulation plus accessible. Les méthodes d'intégration temporelle explicites présentent des propriétés intéressantes telles qu'une bonne précision et une bonne compatibilité avec les techniques HPC (parallélisation, vectorisation...). Néanmoins, le pas de temps de ces méthodes est fortement limité : il est choisi de manière à respecter la contrainte CFL la plus restrictive sur le maillage. Ceci rend ces méthodes généralement très coûteuses. Dans le cas des méthodes explicites à pas de temps local, le pas de temps varie sur le maillage en s'adaptant à différentes contraintes CFL locales. Le pas de temps est plus optimal sur l'ensemble du maillage, ce qui réduit les temps de simulation par rapport à une méthode explicite à pas de temps global (uniforme). Les schémas à pas de temps local de la littérature sont essentiellement utilisés sur des cas-test académiques, et on recense peu d'applications de ces schémas en CFD. L'objectif de cette thèse est de montrer que ce type de schéma peut être utilisé de manière efficace pour la LES. Pour atteindre cet objectif, deux nouveaux schémas à pas de temps local ont d'abord été mis en place. Deux simulations LES ont ensuite été réalisées à l'aide de notre schéma à pas de temps local le plus performant. Ces deux simulations ont démontré la bonne précision et l'efficacité de notre schéma à pas de temps local pour la simulation d'écoulements turbulents.
Author: Adnène Ben Abdallah
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Pages : 147
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LA SIMULATION NUMERIQUE DIRECTE DES ECOULEMENTS DE FLUIDES EST GRANDE CONSOMMATRICE DE MOYENS INFORMATIQUES DE POINTE. ELLE NE CESSE DE BENEFICIER DU PROGRES DES TECHNOLOGIES INFORMATIQUES. L'EMERGENCE DES MACHINES MASSIVEMENT PARALLELES OUVRE DE NOUVELLES PERSPECTIVES. LE PARALLELISME MET A DISPOSITION UNE CAPACITE DE MEMOIRE IMPORTANTE TOUT EN PERMETTANT DE DIMINUER CONSIDERABLEMENT LES TEMPS DE RESTITUTION DES CALCULS. DANS CE CADRE, NOUS PROPOSONS UNE METHODE DE RESOLUTION PARALLELE DES EQUATIONS INSTATIONNAIRES DE NAVIER-STOKES POUR DES FLUIDES INCOMPRESSIBLES. LE PARALLELISME EST FONDE SUR UNE APPROCHE DE DECOMPOSITION DE DOMAINE NON CONFORME. AFIN D'ASSURER LA CONTINUITE ENTRE LES SOUS-DOMAINES, NOUS UTILISONS LA METHODE DES ELEMENTS JOINTS AVEC UNE DISCRETISATION PAR ELEMENTS FINIS. OUTRE LES ELEMENTS JOINTS, NOTRE METHODE UTILISE UNE MARCHE EN TEMPS DU TYPE PAS FRACTIONNAIRES. CETTE TECHNIQUE A POUR BUT DE DECOUPLER LES EFFETS DE DIFFUSION VISQUEUSE DES EFFETS DE L'INCOMPRESSIBILITE. IL S'AGIT D'APPROCHER LA SOLUTION DES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES AVEC DEUX SERIES D'APPROXIMATIONS DE LA VITESSE (VITESSES PREDITE ET PROJETEE) ET UNE SERIE D'APPROXIMATIONS DE LA PRESSION. LA VITESSE PREDITE EST OBTENUE PAR LA RESOLUTION D'UN PROBLEME DE DIFFUSION AVEC ELEMENTS JOINTS. CELLE-CI N'ETANT PAS A DIVERGENCE NULLE, ELLE EST CORRIGEE AU MOYEN D'UNE PROJECTION SUR L'ESPACE DES VITESSES A DIVERGENCE NULLE. CONTRAIREMENT A LA VITESSE PREDITE, LA VITESSE PROJETEE ET LA PRESSION SONT CHOISIES DANS DES ESPACES QUI NE VERIFIENT PAS LA CONTINUITE SUR LES INTERFACES ENTRE LES SOUS-DOMAINES. NOUS OBTENONS AINSI UNE ETAPE DE PROJECTION COMPLETEMENT PARALLELE. DEUX CLASSES DE SCHEMAS DE PROJECTION PARALLELE ONT ETE PROPOSEES. LES SCHEMAS ONT ETE ETUDIES THEORIQUEMENT ET NUMERIQUEMENT. NOUS DONNONS DES RESULTATS DE STABILITE ET DE CONVERGENCE AINSI QU'UNE DEMONSTRATION COMPLETE DE LA CONDITION INF-SUP DANS LE CADRE DES ELEMENTS FINIS AVEC ELEMENTS JOINTS. LA METHODE EST ENSUITE MISE EN UVRE SUR DES CALCULATEURS PARALLELES. DES TESTS DE VALIDATION ET D'EVALUATION DES PERFORMANCES ONT ETES EFFECTUES. LA METHODE TROUVE SON APPLICATION DANS LA SIMULATION D'ECOULEMENTS STATIONNAIRES ET INSTATIONNAIRES.
Author: REMI.. JACQUES
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Pages : 240
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CE TRAVAIL DE THESE PORTE SUR L'ETUDE NUMERIQUE DES ECOULEMENTS TRANSITIONNELS ET TURBULENTS DANS UNE CAVITE CONFINEE FORMEE DE DEUX DISQUES COAXIAUX DONT L'UN EST EN ROTATION UNIFORME AUTOUR DE SON AXE DE REVOLUTION (ROTOR), ET L'AUTRE STATIONNAIRE (STATOR). LES SIMULATIONS NUMERIQUES SONT EFFECTUEES SOUS L'HYPOTHESE D'AXISYMETRIE DE L'ECOULEMENT INSTANTANE. ON UTILISE ALORS UN CODE DE CALCUL PARALLELISE INTEGRANT UNE DECOMPOSITION DE DOMAINE. PLUSIEURS CARACTERISTIQUES DES ECOULEMENTS ENTRE DEUX DISQUES TOURNANTS SONT REPRODUITES : EXISTENCE DE COUCHES LIMITES SUR LES DEUX DISQUES TOURNANTS, SEPAREES PAR UN REGION CENTRALE DE L'ECOULEMENT EN ROTATION MOYENNE UNIFORME, CARACTERE PLUS INSTABLE DE LA COUCHE LIMITE LIEE AU DISQUE FIXE. L'EXISTENCE D'UN REGIME D'ONDES INERTIELLES A EGALEMENT ETE MIS EN EVIDENCE DANS LE CUR DE LA CAVITE LORSQUE L'ECOULEMENT EST TURBULENT DANS LA COUCHE LIMITE LIEE AU DISQUE FIXE. L'ETUDE DES EQUATIONS DE TRANSPORT DES TENSIONS DE REYNOLDS MONTRE QUE LA ROTATION MODIFIE LES DISTRIBUTIONS SPATIALES DE CERTAINS TERMES INTERVENANT DANS LES BILANS ASSOCIES A CES EQUATIONS. ILS METTENT EGALEMENT EN EVIDENCE LES LIMITATIONS DE L'HYPOTHESE D'AXISYMETRIE QUI MODIFIE ALORS DES CARACTERISTIQUES INTRINSEQUES DE LA TURBULENCE. DES SIMULATIONS NUMERIQUES TRIDIMENSIONNELLES AVEC UN CODE DE CALCUL PARALLELISE SONT ALORS EFFECTUEES POUR LE REGIME D'ECOULEMENT LAMINAIRE INSTATIONNAIRE. CES PREMIERES SIMULATIONS ONT MONTRE QUE L'HYPOTHESE D'AXISYMETRIE STABILISAIT L'ECOULEMENT. ENFIN, LES RESULTATS DE SIMULATION NUMERIQUE SONT CONFRONTES A DES RESULTATS FOURNIS PAR UNE MODELISATION DE LA TURBULENCE DE TYPE K - ET DES RESULTATS EXPERIMENTAUX. LES DEUX METHODOLOGIES NUMERIQUES FOURNISSENT DES RESULTATS RELATIVEMENT PROCHES CONCERNANT LES DISTRIBUTIONS DE VITESSE MOYENNE.
Author: CUNXIAO.. ZHANG
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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
Author: Eric Lamballais
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Pages : 180
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L'ECOULEMENT EN CANAL PLAN TOURNANT EST ETUDIE PAR SIMULATION NUMERIQUE DIRECTE ET DES GRANDES ECHELLES. DANS CE BUT, UN CODE RESOLVANT LES ECOULEMENTS DE NAVIER-STOKES INCOMPRESSIBLES EST DEVELOPPE, EN APPORTANT UN SOIN PARTICULIER A LA PRECISION DES METHODES NUMERIQUES UTILISEES. DANS LE CADRE DE LA SIMULATION DES GRANDES ECHELLES, UNE CORRECTION DU MODELE SOUS-MAILLE A VISCOSITE TURBULENTE SPECTRALE EST PROPOSEE. CETTE MODIFICATION CONSISTE A PRENDRE EN COMPTE LES ECARTS DU SPECTRE D'ENERGIE PAR RAPPORT A UN SPECTRE DE KOLMOGOROV. L'ETUDE PREALABLE DE L'ECOULEMENT EN CANAL EN L'ABSENCE DE ROTATION DEMONTRE L'INTERET DE LA CORRECTION DU MODELE, EN PERMETTANT UNE AMELIORATION NETTE DES RESULTATS STATISTIQUES. LES OUTILS NUMERIQUES AINSI DEVELOPPES PERMETTENT ALORS D'ETUDIER L'INFLUENCE D'UNE ROTATION SOLIDE (D'AXE PARALLELE A L'ENVERGURE) SUR LA STRUCTURE DE LA TURBULENCE DANS L'ECOULEMENT EN CANAL. DANS UN PREMIER TEMPS, LES EFFETS DE LA ROTATION SUR LES MECANISMES DE TRANSITION A LA TURBULENCE SONT EXAMINES. SELON LE TAUX DE ROTATION CONSIDERE, TROIS TYPES DE TRANSITION SONT ALORS IDENTIFIES. EN PARTICULIER, IL EST MONTRE QUE LES HAUTS REGIMES DE ROTATION VONT JUSQU'A EMPECHER TOUTE TRIDIMENSIONNALISATION DE L'ECOULEMENT. ENFIN, UNE PARTIE IMPORTANTE DE CET OUVRAGE EST CONSACREE A L'ETUDE DU CANAL PLAN TOURNANT EN SITUATION DE TURBULENCE PLEINEMENT DEVELOPPEE. UNE LARGE GAMME DE TAUX DE ROTATION EST CONSIDEREE. UNE ATTENTION PARTICULIERE EST PORTEE SUR LA DYNAMIQUE DE LA VORTICITE ABSOLUE, QUI EST CARACTERISEE A L'AIDE DE VISUALISATIONS GRAPHIQUES ET PAR L'ANALYSE STATISTIQUE DES TERMES PREPONDERANTS DANS L'EQUATION DE LA VORTICITE ABSOLUE. IL EST ALORS MIS EN EVIDENCE UN ETIREMENT LONGITUDINAL IMPORTANT DE LA VORTICITE ABSOLUE, EN PARTICULIER DANS LA REGION (LOIN DES PAROIS) OU SE DEVELOPPE UNE ZONE DE VORTICITE ABSOLUE NULLE. CONCERNANT LA DYNAMIQUE DE PROCHE PAROI, L'ACTION INHIBITRICE D'UNE FORTE ROTATION SUR LA FORMATION DES COURANTS DE HAUTE ET BASSE VITESSE EST EGALEMENT ETUDIEE
Author: Stéphane Abide
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Languages : fr
Pages : 222
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Book Description
La simulation numérique directe des écoulements turbulents est un outil fondamental en mécanique des fluides car elle permet de connaître précisément les propriétés cinématiques de l'écoulement en tout point et à chaque instant. Cependant, en raison de la discrétisation spatiale d'ordre élevé nécessaire à la résolution de la cascade énergétique, cette approche est souvent limitée à des géométries simples. Ce travail propose une méthode de décomposition de domaine pour la simulation numérique d'écoulements turbulents. Elle repose sur une résolution directe multidomaine en formulation vitesse/pression des équations de Navier-Stokes. La méthode proposée résout efficacement (calcul parallèle) les équations de Navier-Stokes incompressibles sur des géométries complexes, telles que des quadrangles inter-connectés, tout en conservant les propriétés de haute précision. De nombreux tests de validation sont proposés: précisions spatiale et temporelle, cavité entraînée, marche descendante et écoulement autour d'un barreau de section carrée. Une simulation numérique directe d'un écoulement turbulent dans une conduite de section carrée est également réalisée. Enfin, une part importante de ce travail concerne l'étude d'un jet plan impactant sur une surface plane et sur un obstacle parallélépipédique pour le nombre de Reynolds Re=3000. Une analyse détaillée des propriétés statistique, spectrale et structurelle est menée, afin d'apporter une contribution à la compréhension des phénomènes physiques complexes de ces écoulements. Enfin, une étude du front de propagation de la température lors d'un refroidissement rapide d'une lamelle solide par un jet plan laminaire est présentée.
Author: THIERRY.. AURIER
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Languages : fr
Pages : 242
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Book Description
CONTRIBUTION ORIGINALE A L'ANALYSE ET A LA SIMULATION NUMERIQUE DES ECOULEMENTS TURBULENTS A VOLUME VARIABLE. APPROCHE THEORIQUE. L'ANALYSE ET LA SIMULATION NUMERIQUE DES ECOULEMENTS TURBULENTS A VOLUME MASSIQUE VARIABLE NECESSITENT UNE DESCRIPTION MATHEMATIQUE DE L'EVOLUTION DES GRANDEURS PHYSIQUES EN GRANDEUR MOYENNE. LA RESOLUTION SOUTEND DE METTRE EN PLACE UN SYSTEME FERME D'EQUATIONS STATISTIQUEMENT MOYENNEES DECRIVANT CORRECTEMENT L'EVOLUTION DE L'ECOULEMENT DE TELS FLUIDES. LA PRESENCE DU VOLUME MASSIQUE ACCROIT CONSIDERABLEMENT LA COMPLEXITE STRUCTURELLE D'UN TEL SYSTEME, INTRODUISANT NOTAMMENT UN FORT COUPLAGE ENTRE TOUTES LES EQUATIONS. L'ECRITURE DES EQUATIONS DE BILAN PAR UNITE DE MASSE EN MOYENNE STATISTIQUE DE REYNOLDS CONDUIT A LA PROPOSITION D'UN SYSTEME MATHEMATIQUEMENT APPROPRIE A L'ANALYSE DES ECOULEMENTS A MASSE VOLUMIQUE VARIABLE. L'UTILISATION D'UN OPERATEUR CENTRE NOUS PERMET DE IDENTIFIER LES DIFFERENTS PHENOMENES PHYSIQUES PRESENTS DANS LES ECOULEMENTS TURBULENTS, ENRICHISSANT L'ANALYSE ET LA MODELISATION. ON DEGAGE UNE STRUCTURE MATHEMATIQUE REMARQUABLE DES EQUATIONS DE BILAN, EN METTANT PARTICULIEREMENT EN RELIEF LE ROLE DE LA FLUCTUATION DE VOLUME. NOUS PROPOSONS ALORS UN SYSTEME D'EQUATION ENTIEREMENT FERME AU SECOND ORDRE COMPLETE PAR UNE DEMARCHE ORIGINALE DE CONSTRUCTION DE MODELES EQUIVALENTS DE TURBULENCE UTILISANT LA COMPLEMENTARITE DE DEUX PROCESSUS STATISTIQUES D'ANALYSE DES ECOULEMENTS COMPRESSIBLES. SIMULATION NUMERIQUE. LA SIMULATION NUMERIQUE D'UN JET PLAN CHAUFFE HORS HYPOTHESE DE BOUSSINESQ PERMET DE VALIDER LA DEMARCHE DE FERMETURE TURBULENTE. CES RESULTATS SONT OBTENUS A PARTIR DE L'ECRITURE ET LA STABILISATION D'UN NOUVEAU CODE DE CALCUL QUETZAL. LES PREMIERS RESULTATS METTENT EN EVIDENCE L'ACTION DETERMINANTE DE LA VARIATION ET DE LA FLUCTUATION DE VOLUME SUR LES ECHELLES CARACTERISTIQUES DE L'ECOULEMENT AINSI QUE SUR SA STRUCTURE TURBULENTE
Author: Aristeu Silveira Neto
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Category : Turbulence
Languages : en
Pages : 340
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Book Description
UNE ETUDE STATISTIQUE ET TOPOLOGIQUE D'UN ECOULEMENT TURBULENT COMPLEXE EN AVAL D'UNE MARCHE DESCENDANTE A ETE REALISEE AU MOYEN DES TECHNIQUES DE SIMULATION DIRECTE ET DE SIMULATION DES GRANDES ECHELLES. NOUS AVONS MIS EN EVIDENCE LA FORMATION DES STRUCTURES COHERENTES QUI COMPOSENT LA COUCHE DE MELANGE BIDIMENSIONNELLE. LA SIMULATION DIRECTE A ETE UTILISEE DANS CE CAS. LES ECOULEMENTS TRIDIMENSIONNELS ONT ETE ETUDIES A L'AIDE DE LA SIMULATION DES GRANDES ECHELLES. DANS CE CAS LE MODELE SOUS-MAILLE EST UNE ADAPTATION LOCALE DANS L'ESPACE PHYSIQUE DU CONCEPT DE VISCOSITE TURBULENTE DANS L'ESPACE DE FOURIER. LA STATISTIQUE DE LA TURBULENCE EST VALIDEE AU MOYEN DES RESULTATS EXPERIMENTAUX CORRESPONDANT A UNE MARCHE PETITE. DES CALCULS SUPPLEMENTAIRES SUR UNE MARCHE HAUTE ONT PERMIS L'ETUDE TOPOLOGIQUE DES INSTABILITES PRIMAIRES ET SECONDAIRES LIEES A LA COUCHE DE MELANGE
Author: Olivier Doche
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Languages : fr
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Book Description
La turbulence modifie sensiblement les propriétés des écoulements évoluant en zone de proche paroi en provoquant notamment une augmentation significative du frottement pariétal. Dans le but de réduire cette traînée turbulente, on propose dans cette étude un contrôle actif de type dual dont la principale caractéristique repose sur l'interaction de deux schémas de contrôle, un schéma en boucle ouverte par soufflage localisé en espace et périodique en temps, suivi d'un schéma en boucle fermée de type suboptimal. L'idée principale est alors d'organiser la turbulence par une excitation oscillante de manière à la rendre plus prédictible et de ce fait plus contrôlable. On commencera par étudier séparément l'impact de ces deux types de contrôle sur la turbulence de proche paroi. Une étude expérimentale est menée afin d'investiguer en détail l'effet de l'instationnarité induite par une excitation périodique. Les méthodes suboptimales ne pouvant être à ce jour appliquées expérimentalement, une Simulation Numérique Directe s'avère être l'outil le mieux adapté pour étudier leurs comportements. On montre finalement qu'une stratégie de contrôle duale, c'est à dire combinant les deux manipulations (Périodique + Suboptimale), peut s'avérer être une méthode de contrôle efficace afin de réduire la contrainte turbulente.
