Anisotropic metric-based mesh adaptation for unsteady CFD simulations involving moving geometries
Adaptation de maillage anisotrope par prescription de champ de métriques appliquée aux simulations instationnaires en géométrie mobile
Résumé
This thesis deals with time-evolving simulations involving fixed or moving geometries. Growing expectations of industrials regarding this kind of simulations are currently observed, and most of them would like such computations to be performed in their research centers on a daily basis, which is clearly not the case at the moment. This works attempts to partly fulfill this demand, and notably intends to improve the accuracy of these simulations as well as their efficiency in terms of CPU time. Anisotropic metric-based mesh adaptation strategies, which have now reached a certain level of maturity on steady problems, offers good perspectives to enhance time-evolving simulations, but their extension in this context is far from straightforward. As for their application to moving mesh simulations, only few attempts can be listed so far and only a minority address complex three-dimensional real-life problems. This study proposes several novelties on these questions, notably the extension of multi-scale anisotropic metric based mesh adaptation to unsteady problems, for both fixed and moving domains. Besides, mainly for CPU reduction purpose, a genuine strategy has been adopted to handle moving mesh simulations. It is notably demonstrated in practice that it is possible to move three dimensional complex objects undergoing large displacements using only connectivity changes and vertex movements, which comes to keep the number of vertices of the moving mesh constant throughout the simulation. Limiting the number of mesh operations allowed enable to considerably reduce CPU time as time is saved both on the meshing and on the solver parts. Finally, a new scheme extending the classical fixed-topology Arbitrary- Lagrangian-Eulerian framework to variable -topology moving meshes is proposed and its validity has been assessed on two dimensional test cases. All these methods have been applied to Computational Fluid Dynamics simulations governed by the Euler compressible fluid equations around complex geometries in two and three dimensions.
Cette thèse s'intéresse aux simulations dépendantes du temps impliquant des géometries fixes ou mobiles. Ce type de simulations est l'objet d'attentes grandissantes de la part des industriels, qui souhaiteraient voir réaliser ce type de calculs de façon systématique au sein de leurs centres de recherche, ce qui n'est clairement pas le cas à l'heure actuelle. Ce travail tente de satisfaire en partie cette demande et vise notamment à améliorer la précision ainsi que l'efficacité en termes de temps de calcul des algorithmes actuellement utilisés dans ce contexte. Les méthodes d'adaptation de maillage anisotrope par prescription d'un champ de métriques, qui ont aujourd'hui atteint une certaine maturité, notamment dans leur application aux simulations stationnaires, constituent une piste très prometteuse pour l'amélioration des calculs évoluant en temps, mais leur extension dans ce contexte est loin d'être triviale. Quant à leur utilisation sur les simulations en géométries mobiles, seules quelques tentatives peuvent être répertoriées, et très peu portent sur des problèmes réalistes en trois dimensions. Cette étude présente plusieurs nouveautés sur ces questions, notamment l'extension de l'adaptation de maillage multi-échelles par champ de métriques aux problèmes instationnaires en géométries fixes et mobiles. Par ailleurs, essentiellement dans une optique de réduction des temps de calculs, une stratégie originale à été adoptée pour réaliser des calculs impliquant des maillages mobiles. Notamment, il est démontré par la pratique dans cette thèse qu'il possible de déplacer des objets en trois dimensions sur de grandes distances en maintenant le nombre de sommets du maillage constant, c'est-à-dire en limitant les types d'opérations de modification de maillage autorisés. Il en résulte un gain conséquent en terme de temps de calcul aussi bien au niveau du déplacement de maillage qu'au niveau de la résolution numérique. Par ailleurs, un nouveau schéma est proposé qui permet de gérer les changements de connectivité du maillage de manière cohérente avec la description Arbitrary-Lagrangian-Eulerian des équations physiques. La plupart de ces nouvelles méthodes ont été appliquées à la simulation d'écoulements fluides compressibles autour de géometries complexes en deux et trois dimensions d'espace.