Dissertations / Theses: 'Finite Volume Solver'

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Car, David. "A generalized unstructured finite volume solver with application to turbomachinery." Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 1995. http://hdl.handle.net/1721.1/49953.

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Jalali, Alireza. "An adaptive higher-order unstructured finite volume solver for turbulent compressible flows." Thesis, University of British Columbia, 2017. http://hdl.handle.net/2429/60365.

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Abstract:

The design of aircraft depends increasingly on the use of Computational Fluid Dynamics (CFD) in which numerical methods are employed to obtain approximate solutions for fluid flows. One route to improve the numerical accuracy of CFD simulations is higher-order discretization methods. Moreover, finite volume discretizations are the method of choice in commercial CFD solvers and also in computational aerodynamics because of intrinsic conservative and shock-capturing properties. Considering that nearly all practical flows with aerodynamic applications are classified as turbulent, we develop a higher-order finite volume solver for the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) solution of turbulent compressible flows on unstructured meshes. Higher-order flow solvers must account for boundary curvature. Since turbulent flow simulations require anisotropic cells in shear layers, we use an elasticity analogy to project the boundary curvature into the interior faces and prevent faces from intersecting near curved boundaries. Furthermore, we improve the accuracy of solution reconstruction and output quantities on highly anisotropic cells with curvature using a local curvilinear coordinate system. A robust turbulence model for higher-order discretizations is fully coupled to the system of RANS equations and an efficient solution strategy is adopted for the convergence to the steady-state solution. We present our higher-order results for simple and complicated configurations in two dimensions. These results are verified by comparison against well-established numerical and experimental values in the literature. Our results show the advantages of higher-order methods in obtaining a more accurate solution with fewer degrees of freedom and also fast and efficient convergence to the steady-state solutions. Moreover, we propose an hp-adaptation algorithm for the unstructured finite volume solver based on residual-based and adjoint-based error indicators. In this approach, we enhance the local accuracy of the discretization via h-refinement or p-enrichment based on the smoothness of the solution. Mesh refinement is carried out by local cell division and introducing non-conforming interfaces in the mesh while order enrichment is obtained by local increase of the polynomial order in the reconstruction process. Our results show that this strategy leads to accuracy and efficiency improvements for several types of compressible flow problems.
Applied Science, Faculty of
Mechanical Engineering, Department of
Graduate

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Hoshyari, Shayan. "A higher-order unstructured finite volume solver for three-dimensional compressible flows." Thesis, University of British Columbia, 2017. http://hdl.handle.net/2429/62846.

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Abstract:

High-order accurate numerical discretization methods are attractive for their potential to significantly reduce the computational costs compared to the traditional second-order methods. Among the various unstructured higher-order discretization schemes, the k-exact reconstruction finite volume method is of interest for its straightforward mathematical formulation, and its compatibility with the current lower-order industrial solvers. However, current three-dimensional finite volume solvers are limited to the solution of inviscid and laminar viscous flow problems. Since three-dimensional turbulent flows appear in many industrial applications, the current thesis takes the first step towards the development of a three-dimensional higher-order finite volume solver for the solution of both inviscid and viscous turbulent steady-state flow problems. The k-exact finite volume formulation of the governing equations is rederived in a dimension-independent manner, where the negative Spalart-Allmaras turbulence model is employed. This one-equation model is reasonably accurate for many flow conditions, and its simplicity makes it a good starting point for the development of numerical algorithms. Then, the three-dimensional mesh preprocessing steps for a finite volume simulation are presented, including higher-order accurate numerical quadrature, and capturing the boundary curvature in highly anisotropic meshes. Also, the issues of k-exact reconstruction in handling highly anisotropic meshes are reviewed and addressed. Since three-dimensional problems can require much more memory than their two-dimensional counter-parts, solution methods that work in two dimensions might not be feasible in three dimensions anymore. As an attempt to overcome this issue, a practical and parallel scalable method for the solution of the discretized system of nonlinear equations is presented. Finally, the solution of four three-dimensional test problems are studied: Poisson’s equation in a cubic domain, inviscid flow over a sphere, turbulent flow over a flat plate, and turbulent flow over an extruded NACA 0012 airfoil. The solution is verified, and the resource consumption of the flow solver is measured. The results demonstrate the benefit and practicality of using higher-order methods for obtaining a certain level of accuracy.
Applied Science, Faculty of
Mechanical Engineering, Department of
Graduate

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Greiner, Ken. "A finite volume solver for viscous turbulent flows on mixed element unstructured meshes." Thesis, National Library of Canada = Bibliothèque nationale du Canada, 1998. http://www.collectionscanada.ca/obj/s4/f2/dsk1/tape11/PQDD_0014/MQ40896.pdf.

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Rees, Ian. "Development of an edge-based finite volume solver for porous media flow applications." Thesis, Swansea University, 2004. https://cronfa.swan.ac.uk/Record/cronfa43012.

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Abstract:

The work presented in this thesis constitutes the first phase in the development of a solver in handle the highly non-linear systems that describe the flow of fluids through porous media. Aspects researched are the mathematical description, discretization as well as the computer code implementations. With regards to the spatial discretization a computational efficient edge-based vertex-centred finite volume scheme is proposed, with the application of a ‘compact stencil’ to calculate second derivative terms. With regards to the software implementation, a novel label based approach was employed using FORTRAN that greatly improved the flexibility of the code. The modelling capabilities of the proposed numerical scheme were validated successfully through the simulation of problems for which benchmark numerical solutions or analytic solutions exist.

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Baumann, Dirk. "A 3-D numerical field solver based on the finite-volume time-domain method /." Zürich : ETH, 2006. http://e-collection.ethbib.ethz.ch/show?type=diss&nr=16650.

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Vantieghem, Stijn. "Numerical simulations of quasi-static magnetohydrodynamics using an unstructured finite volume solver: development and applications." Doctoral thesis, Universite Libre de Bruxelles, 2011. http://hdl.handle.net/2013/ULB-DIPOT:oai:dipot.ulb.ac.be:2013/209929.

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Abstract:

Dans cette dissertation, nous considérons l’écoulement des liquides conducteurs d’électricité dans un champ magnétique externe. De tels écoulements sont décrits par les équations de la magnétohydrodynamique (MHD) quasi-statique, et sont fréquemment rencontrés dans des applications pratiques. Il suit qu’il y a un intérêt fort pour des outils numérques qui peuvent simuler ces écoulements dans des géometries complexes.

La première partie de cette thèse (chapitres 2 et 3) est dédiée à la présentation de la machinerie numérique qui a été utilisée et implémentée afin de résoudre les équations de la MHD quasi-statistique (incompressible). Plus précisément, nous avons contribué au développement d’un solveur volumes finis non-structuré parallèle. La discussion sur ces méthodes est accompagnée d’une analyse numérique qui est aussi valable pour des mailles non-structurées. Dans le chapitre 3, nous vérifions notre implémentation par la simulation d’un certain nombre de cas tests avec un accent sur des écoulements dans un champ magnétique intense.

Dans la deuxième partie de cette thèse (chapitres 4-6), nous avons utilsé ce solveur pour étudier des écoulements MHD de proche paroi .La première géometrie considérée (chapitre 4) est celle d’une conduite circulaire infini d’axe à haut nombre de Hartmann. Nous avons investitgué la sensitivité des résultats numériques au schéma de discrétisation et à la topologie de la maille. Nos résultats permettent de caractériser in extenso l’écoulement MHD dans une conduite avec des bords bien conducteurs par moyen des lois d’échelle.

Le sujet du cinquième chapitre est l’écoulement dans une conduite toroïdale à section carée. Une étude du régime laminaire confirme une analyse asymptotique pour ce qui concerne les couches de cisaillement. Nous avons aussi effectué des simulations des écoulements turbulents afin d’évaluer l’effet d’un champ magnétique externe sur l’état des couches limites limites.

Finalement, dans le chapitre 6, nous investiguons l’écoulement MHD et dans un U-bend et dans un coude arrière. Nous expliquons comment générer une maille qui permet de toutes les couches de cisaillement à un coût computationelle acceptable. Nous comparons nos résultats aux solutions asymptotiques.
Doctorat en Sciences
info:eu-repo/semantics/nonPublished

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Johnson, Perry. "Thermoacoustic Riemann Solver Finite Volume Method with Application to Turbulent Premixed Gas Turbine Combustion Instability." Master's thesis, University of Central Florida, 2013. http://digital.library.ucf.edu/cdm/ref/collection/ETD/id/5952.

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Abstract:

This thesis describes the development, verification, and validation of a three dimensional time domain thermoacoustic solver. The purpose of the solver is to predict the frequencies, modeshapes, linear growth rates, and limit cycle amplitudes for combustion instability modes in gas turbine combustion chambers. The linearized Euler equations with nonlinear heat release source terms are solved using the finite volume method. The treatment of mean density gradients was found to be vital to the success of frequency and modeshape predictions due to the sharp density gradients that occur across deflagration waves. In order to treat mean density gradients with physical fidelity, a non-conservative finite volume method based on the wave propagation approach to the Riemann problem is applied. For modelling unsteady heat release, user input flexibility is maximized using a virtual class hierarchy within the OpenFOAM C++ library. Unsteady heat release based on time lag models are demonstrated. The solver gives accurate solutions compared with analytical methods for one-dimensional cases involving mean density gradients, cross-sectional area changes, uniform mean flow, arbitrary impedance boundary conditions, and unsteady heat release in a one-dimensional Rijke tube. The solver predicted resonant frequencies within 1% of the analytical solution for these verification cases, with the dominant component of the error coming from the finite time interval over which the simulation is performed. The linear growth rates predicted by the solver for the Rijke tube verification were within 5% of the theoretical values, provided that numerical dissipation effects were controlled. Finally, the solver is then used to predict the frequencies and limit cycle amplitudes for two lab scale experiments in which detailed acoustics data are available for comparison. For experiments at the University of Melbourne, an empirical flame describing function was provided. The present simulation code predicted a limit cycle of 0.21 times the mean pressure, which was in close agreement with the estimate of 0.25 from the experimental data. The experiments at Purdue University do not yet have an empirical flame model, so a general vortex-shedding model is proposed on physical grounds. It is shown that the coefficients of the model can be tuned to match the limit cycle amplitude of the 2L mode from the experiment with the same accuracy as the Melbourne case. The code did not predict the excitation of the 4L mode, therefore it is concluded that the vortex-shedding model is not sufficient and must be supplemented with additional heat release models to capture the entirety of the physics for this experiment.
M.S.M.E.
Masters
Mechanical and Aerospace Engineering
Engineering and Computer Science
Mechanical Engineering; Thermo-Fluids

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Rycroft, Noel Christopher. "An adaptive, three-dimensional, finite volume, euler solver for distributed architectures using arbitrary polyhedral cells." Thesis, University of Southampton, 1998. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.266866.

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Musta, Mustafa Nail. "Implementation Of Turbulence Models Into A Navier-stokes Solver." Master's thesis, METU, 2004. http://etd.lib.metu.edu.tr/upload/2/12605357/index.pdf.

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Abstract:

In order to handle turbulent flow problems, one equation turbulence models are implemented in to a previously developed explicit, Reynolds averaged Navier-Stokes solver. Discretization of Navier-Stokes solver is based on cell-vertex finite volume formulation combined with single step Lax-Wendroff numerical method which is second order accurate in space. Turbulent viscosity is calculated by using one equation Spalart-Allmaras and Baldwin-Barth turbulence transport equations. For the discretization of Spalart-Allmaras and Baldwin-Barth equations, both finite volume scheme which is used for Navier-Stokes equation in this work and explicit finite difference discretization method are used. In order to increase the convergence rate of the solver, local time stepping technique is applied. Stabilization of non-physical oscillations resulting from the numerical scheme is maintained by adding second and fourth order artificial smoothing terms. Three test cases are considered. In order to validate the accuracy of the Navier-Stokes solver, solver is tested over a laminar flat plate. The results are compared with analytical solutions. Later, in order to check the performance of the turbulence models, turbulent flow over flat plate and turbulent transonic flow over NACA-0012 airfoil are handled. For turbulent flow over flat plate obtained results are compared with analytical and empirical solutions, whereas for transonic turbulent flow obtained results are compared with numerical and experimental solutions.

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Bhogireddy, Venkata Sai Pavan Kumar. "Phase Field modeling of sigma phase transformation in duplex stainless steels : Using FiPy-Finite Volume PDE solver." Thesis, KTH, Materialvetenskap, 2013. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-161712.

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Abstract:

Duplex Stainless Steels (DSS) are used extensively in various industrial applications where the properties of both austenite and ferrite steels are required. Higher mechanical strength and superior corrosion resistance are the advantages of DSS. One of the main drawbacks for Duplex steels is precipitation of sigma phase and other intermetallic phases adversely affecting the mechanical strength and the corrosion behavior of the steels. The precipitation of these secondary phases and the associated brittleness can be due to improper heat treatment. The instability in the microstructure of Duplex stainless steels can be studied by understanding the phase transformations especially the ones involving sigma phase. To reduce the time and effort to be put in for experimental work, computational simulations are used to get an initial understanding on the phase transformations. The present thesis work is on the phase transformations involving sigma phase for Fe-Cr system and Fe-Cr-Ni system using theoretical approach in 1D and 2D geometries. A phase field model is implemented for the microstructural evolution in DSS in combination with thermodynamic data collected from the Thermo-Calc software. The Wheeler Boettinger McFadden (WBM) model is used for Gibbs energy interpolation of the system. FiPy- Finite volume PDE solver written in python is used to simulate the phase transformation conditions first in Fe-Cr system for ferrite-austenite and ferrite-sigma phase transformations. It is then repeated for Fe-Cr-Ni ternary system. In the present study a model was developed for deriving Gibbs energy expression for sigma phase based on the common tangent condition. This model can be used to describe composition constrained phases and stoichiometric phases using the WBM model in phase field modeling. Cogswell’s theory of using phase order variable instead of an interpolating polynomial in the expression for Gibbs energy of whole system is also tried.

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Ozdemir, Enver Doruk. "Implementation Of Rotation Into A 2-d Euler Solver." Master's thesis, METU, 2005. http://etd.lib.metu.edu.tr/upload/12606525/index.pdf.

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Abstract:

The aim of this study is to simulate the unsteady flow around rotating or oscillating airfoils. This will help to understand the rotor aerodynamics, which is essential in turbines and propellers. In this study, a pre-existing Euler solver with finite volume method that is developed in the Mechanical Engineering Department of Middle East Technical University (METU) is improved. This structured pre-existing code was developed for 2-D internal flows with Lax-Wendroff scheme. The improvement consist of firstly, the generalization of the code to external flow
secondly, implementation of first order Roe&rsquo
s flux splitting scheme and lastly, the implementation of rotation with the help of Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) method. For the verification of steady and unsteady results of the code, the experimental and computational results from literature are utilized. For steady conditions, subsonic and transonic cases are investigated with different angle of attacks. For the verification of unsteady results of the code, oscillating airfoil case is used. The flow is assumed as inviscid, unsteady, adiabatic and two dimensional. The gravity is neglected and the air is taken as ideal gas. The developed code is run on computers housed in METU Mechanical Engineering Department Computational Fluid Dynamics High Performance Computing (CFD-HPC) Laboratory.

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Edelvik, Fredrik. "Hybrid Solvers for the Maxwell Equations in Time-Domain." Doctoral thesis, Uppsala universitet, Avdelningen för teknisk databehandling, 2002. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:uu:diva-2156.

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Abstract:

The most commonly used method for the time-domain Maxwell equations is the Finite-Difference Time-Domain method (FDTD). This is an explicit, second-order accurate method, which is used on a staggered Cartesian grid. The main drawback with the FDTD method is its inability to accurately model curved objects and small geometrical features. This is due to the Cartesian grid, which leads to a staircase approximation of the geometry and small details are not resolved at all. This thesis presents different ways to circumvent this drawback, but still take advantage of the benefits of the FDTD method. An approach to avoid staircasing errors but still retain the efficiency of the FDTD method is to use a hybrid grid. A few layers of unstructured cells are used close to curved objects and a Cartesian grid is used for the rest of the domain. For the choice of solver on the unstructured grid two different alternatives are compared: an explicit Finite-Volume Time-Domain (FVTD) solver and an implicit Finite-Element Time-Domain (FETD) solver. The hybrid solvers calculate the scattering from complex objects much more efficiently compared to using FDTD on highly resolved Cartesian grids. For the same accuracy in the solution roughly a factor of 10 in memory requirements and a factor of 20 in execution time are gained. The ability to model features that are small relative to the cell size is often important in electromagnetic simulations. In this thesis a technique to generalize a well-known subcell model for thin wires, in order to take arbitrarily oriented wires in FETD and FDTD into account, is proposed. The method gives considerable modeling flexibility compared to earlier methods and is proven stable. The results show excellent consistency and very good accuracy on different antenna configurations. The recursive convolution method is often used to model frequency dispersive materials in FDTD. This method is used to enable modeling of such materials in the unstructured FVTD and FETD solvers. The stability of both solvers is analyzed and their accuracy is demonstrated by computing the radar cross section for homogeneous as well as layered spheres with frequency dependent permittivity.

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AGARWAL, SIDDHANT. "Implementation of k-Exact Finite Volume Reconstruction in DLR’s Next-Generation CFD Solver: Flucs and its Comparison to Other Methods." Thesis, KTH, Mekanik, 2017. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-220315.

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Abstract:

This thesis extended the order of the reconstruction of state for convective fluxes used by Finite Volume (FV) algorithm in DLR’s next-generation CFD solver: Flucs, from constant and linear to quadratic and cubic. Two approaches for calculating derivatives were implemented in Flucs and some test cases were tried. To allow for integration of moments within each cell and a higher-order integration of fluxes, the mesh used by Discontinuous Galerkin (DG) was fed to the FV algorithm. Insufficient geometric treatment of the boundary cells and the dummy cells in FV is believed to be detrimental to the order of error reduction in NACA0012 case and the smooth bump case. In the smooth bump case, the FV algorithms failed to show higher than second order error reduction because of this reason. The order of the schemes away from the boundaries was verified with the Ehrenfried Vortex test case. For at least structured meshes and unstructured meshes with quads, schemes of order k approached k + 1 order accuracy on sufficiently fine meshes. The original goal of this thesis was partly accomplished and some further work in the code is expected.
Detta examensarbete vidareutvecklade ordningen av rekonstruktion av tillståndet för konvektiva flöden som används av FV-algoritmen i DLR’s nästa generations CFD-lösare: Flucs, från konstant och linjär till kvadratisk och kubisk. Två metoder för beräkning av derivatorna genomfördes i Flucs och några testfall försökades. För att möjliggöra integrationen av momenten inom varje cell och integrationen av flöden på en högre ordning, matades det nät som används av DG till FV-algoritmen. Otillräcklig geometrisk behandling av gränscellerna och dummycellerna antas vara skadlig för ordning av felreduceringen i NACA0012-fallet och det Smmoth Bump-fallet. I det Smooth Bump-Fallet fick FV-algoritmerna inte visa högre än andra ordning av felreducering på grund av denna anledning. Ordningen av schemana bort från gränserna verifierades med Ehrenfried Vortex-testfallet. För åtminstone strukturerade nät och ostrukturerade nät med fyrkantiga celler nådde algorithmer med order k, k + 1 ordernoggrannhet på tillräckliga bra nät. Det ursprungliga målet för denna avhandling uppnåddes delvis och ytterligare arbete i koden förväntas.

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Akturk, Ali. "Two-dimensional Finite Volume Weighted Essentially Non-oscillatory Euler Schemes With Different Flux Algorithms." Master's thesis, METU, 2005. http://etd.lib.metu.edu.tr/upload/12606387/index.pdf.

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Abstract:

The purpose of this thesis is to implement Finite Volume Weighted Essentially Non-Oscillatory (FV-WENO) scheme to solution of one and two-dimensional discretised Euler equations with different flux algorithms. The effects of the different fluxes on the solution have been tested and discussed. Beside, the effect of the grid on these fluxes has been investigated. Weighted Essentially Non-Oscillatory (WENO) schemes are high order accurate schemes designed for problems with piecewise smooth solutions that involve discontinuities. WENO schemes have been successfully used in applications, especially for problems containing both shocks and complicated smooth solution structures. Fluxes are used as building blocks in FV-WENO scheme. The efficiency of the scheme is dependent on the fluxes used in scheme The applications tested in this thesis are the 1-D Shock Tube Problem, Double Mach Reflection, Supersonic Channel Flow, and supersonic Staggered Wedge Cascade. The numerical solutions for 1-D Shock Tube Problem and the supersonic channel flow are compared with the analytical solutions. The results for the Double Mach Reflection and the supersonic staggered cascade are compared with results from literature.

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Lhebrard, Xavier. "Analyse de quelques schémas numériques pour des problèmes de shallow water." Thesis, Paris Est, 2015. http://www.theses.fr/2015PESC1019/document.

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Abstract:

Nous élaborons et analysons mathématiquement des approximations numériques par des méthodes de type volumes finis de solutions faibles de systèmes hyperboliques pour des écoulements géophysiques. Dans une première partie nous approchons les solutions du système de la magnétohydrodynamique en faible épaisseur avec un fond plat. Nous développons un schéma de type Godunov utilisant un solveur de Riemann approché défini via une méthode de relaxation. Des expressions explicites sont établies pour les vitesses de relaxation, qui permettent d'obtenir un schéma satisfaisant un ensemble de bonnes propriétés de consistance et de stabilité. Il conserve la masse, préserve la positivité de la hauteur de fluide, vérifie une inégalité d'entropie discrète, résout les discontinuités de contact même résonantes, donne des vitesses de propagations contrôlées par les données initiales. Des tests numériques sont effectués, validant les résultats théoriques énoncés. Dans une seconde partie nous approchons les solutions du système de la magnétohydrodynamique en faible épaisseur avec fond variable. Nous développons un schéma équilibre pour certains états stationnaires au repos. Nous utilisons la méthode de reconstruction hydrostatique, avec des états reconstruits pour la hauteur d'eau et les composantes du champ magnétique. Nous trouvons des termes correctifs pour les flux numériques par rapport au cadre habituel, et nous prouvons que le schéma obtenu préserve la positivité de la hauteur d'eau, vérifie une inégalité d'entropie semi-discrète et est consistant. Des tests numériques sont effectués, validant les résultats théoriques. Dans une troisième partie nous établissons la convergence d'un schéma cinétique avec reconstruction hydrostatique pour le système de Saint-Venant avec topographie. De nouvelles estimations sur le gradient des solutions approchées sont obtenues par l'analyse de la dissipation d'énergie. La convergence est obtenue par la méthode de compacité par compensation, sous des hypothèses sur les données initiales et la régularité du fond
We build and analyze mathematically numerical approximations by finite volume methods of weak solutions to hyperbolic systems for geophysical flows. In a first part we approximate the solutions of the shallow water magneto hydrodynamics system with flat bottom. We develop a Godunov scheme using an approximate Riemann solver defined via a relaxation method. Explicit formulas are established for the relaxation speeds, that lead to a scheme satisfying good properties of consistency and stability. It preserves mass, positivity of the fluid height, satisfies a discrete entropy inequality, resolves contact discontinuities, and involves propagation speeds controlled by the initial data. Several numerical tests are performed, endorsing the theoretical results. In a second part we approximate the solutions of the shallow water magneto hydrodynamics system with non-flat bottom. We develop a well-balanced scheme for several steady states at rest. We use the hydrostatic reconstruction method, with reconstructed states for the fluid height and the magnetic field. We get some new corrective terms for the numerical fluxes with respect to the classical framework, and we prove that the obtained scheme preserves the positivity of height, satisfies a semi-discrete entropy inequality, and is consistent. Several numerical tests are presented, endorsing the theoretical results. In a third part we prove the convergence of a kinetic scheme with hydrostatic reconstruction for the Saint-Venant system with topography. Some new estimates on the gradient of approximate solutions are established, by the analysis of energy dissipation. The convergence is obtained by the compensated compactness method, under some hypotheses concerning the initial data and the regularity of the topography

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Haider, Jibran. "An upwind cell centred finite volume method for large strain explicit solid dynamics in OpenFOAM." Doctoral thesis, Universitat Politècnica de Catalunya, 2018. http://hdl.handle.net/10803/565419.

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Abstract:

In practical engineering applications involving extremely complex geometries, meshing typically constitutes a large portion of the overall design and analysis time. In the computational mechanics community, the ability to perform calculations on tetrahedral meshes has become increasingly important. For these reasons, automated tetrahedral mesh generation by means of Delaunay and advancing front techniques have recently received increasing attention in a number of applications, namely: crash impact simulations, cardiovascular modelling, blast and fracture modelling. Unfortunately, modern industry codes in solid mechanics typically rely on the use of traditional displacement based Finite Element formulations which possess several distinct disadvantages, namely: (1) reduced order of convergence for strains and stresses in comparison with displacements; (2) high frequency noise in the vicinity of shocks; and (3) numerical instabilities associated with shear locking, volumetric locking and pressure checker-boarding. In order to address the above mentioned shortcomings, a new mixed-based set of equations for solid dynamics formulated in a system of first order hyperbolic conservation laws was introduced. Crucially, the new set of conservation laws has a similar structure to that of the well known Euler equations in the context of Computational Fluid Dynamics (CFD). This enables us to borrow some of the available CFD technologies and to adapt the method in the context of solid dynamics. This thesis builds on the work carried out by Lee et al. 2013 by further developing the upwind cell centred finite volume framework for the numerical analysis of large strain explicit solid dynamics and its tailor-made implementation within the open source code OpenFOAM, extensively used in industrial and academic environments. The object oriented nature of OpenFOAM implementation provides a very efficient platform for future development. In this computational framework, the primary unknown variables are linear momentum and deformation gradient tensor of the system. Moreover, the formulation is further extended for an additional set of geometric strain measures comprising of the co-factor of deformation gradient tensor and the Jacobian of deformation, in order to simulate polyconvex constitutive models ensuring material stability. The domain is spatially discretised using a standard Godunov-type cell centred framework where second order accuracy is achieved by employing a linear reconstruction procedure in conjunction with a slope limiter. This leads to discontinuities in variables at the cell interface which motivate the use of a Riemann solver by introducing an upwind bias into the evaluation of numerical contact fluxes. The acoustic Riemann solver presented is further developed by applying preconditioned dissipation to improve its performance in the near incompressibility regime and extending its range to contact applications. Moreover, two evolutionary frameworks are proposed in this study to satisfy the underlying involutions (or compatibility conditions) of the system. Additionally, the spatial discretisation is alternatively represented through a nodal cell centred finite volume framework for comparison purposes. From a temporal discretisation point of view, a two stage Total Variation Diminishing Runge-Kutta time integrator is employed to ensure second order accuracy. Additionally, inclusion of a global posteriori angular momentum projection procedure enables preservation of angular momenta of the system. Finally, benchmark numerical examples are simulated to demonstrate various aspects of the formulation including mesh convergence, momentum preservation and the locking-free nature of the formulation on complex computational domains.
En aplicaciones prácticas de ingeniería que implican geometrías extremadamente complejas, el mallado requiere típicamente una gran parte del tiempo total de diseño y análisis. En la comunidad de mecánica computacional, la capacidad de realizar cálculos sobre mallas tetraédricas está siendo cada vez más importante. Por estas razones, la generación automatizada de mallas tetraédricas por medio de técnicas de Delaunay y frente avanzado han recibido cada vez más atención en ciertas aplicaciones, a saber: simulaciones de impacto, modelado cardiovascular, modelado de explosión y fractura. Por desgracia, los códigos en la industria moderna para mecánica de sólidos se basan normalmente en el uso de formulaciones tradicionales de Elementos Finitos formulados en desplazamientos que poseen varias desventajas: (1) menor orden de convergencia para tensiones y deformaciones; (2) ruido de alta frecuencia cerca de las ondas de choque; y (3) inestabilidades numéricas asociadas con el bloqueo a cortante, el bloqueo volumétrico y oscilaciones de presión. Con el fin de abordar estas deficiencias, se introduce un nuevo conjunto de ecuaciones para mecánica del sólido formulada como un sistema de leyes de conservación de primer orden basada en una formulación mixta. Fundamentalmente, el nuevo sistema de leyes de conservación tiene una estructura similar a la de las famosas ecuaciones de Euler en el contexto de la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). Esto nos permite aprovechar algunas de las tecnologías CFD disponibles y adaptar el método en el contexto de la Mecánica de Sólidos. Esta tesis se basa en el trabajo realizado en Lee et al. 2013 mediante el desarrollo de la estructura de volúmenes finitos centrados en celdas upwind para el análisis numérico de dinámica del sólido explícita en grandes deformaciones y su implementación específicamente diseñada dentro del software de código abierto OpenFOAM, ampliamente utilizado ámbito académico e industrial. Además, la naturaleza orientada a objetos de su implementación proporciona una plataforma muy eficiente para su desarrollo posterior. En este marco computacional, las incógnitas básicas de este sistema son el momento lineal y el tensor gradiente de deformación. Asimismo, la formulación se extiende adicionalmente para un conjunto adicional de medidas de deformación que comprenden el cofactor del tensor gradiente de deformación y el jacobiano de deformación, con el fin de simular modelos constitutivos policonvexos que aseguran la estabilidad del material. El dominio se discretiza espacialmente usando un marco centrado en células de tipo Godunov estándar, donde se consigue la precisión de segundo orden empleando un procedimiento de reconstrucción lineal junto con un limitador de pendiente. Esto conduce a discontinuidades en las variables en la interfase de la célula que motivan el uso de un solucionador de Riemann mediante la introducción de un sesgo contra el viento en la evaluación de flujos de contacto numéricos. El presente solucionador acústico de Riemann es posteriormente desarrollado aplicando disipación pre-condicionada para mejorar su rendimiento en el cercano pero incompresibilidad régimen y extender su gama a aplicaciones de contacto. Además, se proponen dos marcos evolutivos en este estudio para satisfacer las involuciones subyacentes (o condiciones de compatibilidad) del sistema. Además, la discretización espacial se representa alternativamente a través de un marco de volumen finito centrado en células nodales para fines de comparación. Desde el punto de vista de la discretización temporal, se emplea un integrador temporal de Runge-Kutta de dos etapas con Disminución de Variación Total para asegurar segundo orden de precision. Finalmente, se simulan ejemplos numéricos de referencia para demostrar varios aspectos de la formulación que incluyen convergencia de malla, conservación de momento y la naturaleza libre de bloqueo de la formulación en dominios computacionales complejos.

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Akin, Ayhan. "Development Of A Laminar Navier-stokes Solver For Incompressible Flows Using Structured Grids." Master's thesis, METU, 2006. http://etd.lib.metu.edu.tr/upload/12607206/index.pdf.

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Abstract:

A method to solve the Navier-Stokes equations for incompressible viscous flows is proposed. This method is SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations) algorithm to iteratively solve the two-dimensional laminar steady momentum equations and based upon finite volume method on staggered grids. Numerical tests are performed on several cases of the flow in the lid-driven cavity, as well as of the flow after a backward-facing step with SIMPLE and SIMPLER (SIMPLE Revised) methods. Finally, results are compared qualitatively and quantitatively with numerical and experimental results available in the literature for different Reynolds numbers to validate the methods.

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Aybay, Orhan. "Implementation Of The Spalart-allmaras Turbulence Model To A Two-dimensional Unstructured Navier-stokes Solver." Master's thesis, METU, 2005. http://etd.lib.metu.edu.tr/upload/12605725/index.pdf.

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Abstract:

An unstructured explicit, Reynolds averaged Navier-Stokes solver is developed to operate on inviscid flows, laminar flows and turbulent flows and one equation Spalart-Allmaras turbulence modeling is implemented to the solver. A finite volume formulation, which is cell-center based, is used for numerical discretization of Navier-Stokes equations in conservative form. This formulation is combined with one-step, explicit time marching upwind numerical scheme that is the first order accurate in space. Turbulent viscosity is calculated by using one equation Spalart-Allmaras turbulence transport equation. In order to increase the convergence of the solver local time stepping technique is applied. Eight test cases are used to validate the developed solver,for inviscid flows, laminar flows and turbulent flows. All flow regimes are tested on NACA-0012 airfoil. The results of NACA-0012 are compared with the numerical and experimental data.

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Mustafa, Akdemir. "Development Of An Axisymmetric, Turbulent And Unstructured Navier-stokes Solver." Master's thesis, METU, 2010. http://etd.lib.metu.edu.tr/upload/12611904/index.pdf.

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Abstract:

An axisymmetric, Navier-Stokes finite volume flow solver, which uses Harten, Lax and van Leer (HLL) and Harten, Lax and van Leer&ndash
Contact (HLLC) upwind flux differencing scheme for spatial and uses Runge-Kutta explicit multi-stage time stepping scheme for temporal discretization on unstructured meshe is developed. Developed solver can solve the compressible axisymmetric flow. The spatial accuracy of the solver can be first or second order accurate. Second order accuracy is achieved by piecewise linear reconstruction. Gradients of flow variables required for piecewise linear reconstruction are calculated by Green-Gauss theorem. Baldwin-Lomax turbulent model is used to compute the turbulent viscosity. Approximate Riemann solver of HLL and HLLC implemented in solver are validated by solving a cylindrical explosion case. Also the solver&rsquo
s capability of solving unstructured, multi-zone domain is investigated by this problem. First and second order results of solver are compared by solving the flow over a circular bump. Axisymmetric flow in solid propellant rocket motor is solved in order to validate the axisymmetric feature of solver. Laminar flow over flat plate is solved for viscous terms validation. Turbulent model is studied in the flow over flat plate and flow with mass injection test cases.

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Mullenix, Nathan Joel. "Fully Coupled Model for High-Temperature Ablation and a Reative-Riemann Solver for its Solution." University of Akron / OhioLINK, 2010. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=akron1271035105.

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Lockwood, Brian Alan. "A two dimensional fluid dynamics solver for use in multiphysics simulations of gas cooled reactors." Thesis, Atlanta, Ga. : Georgia Institute of Technology, 2007. http://hdl.handle.net/1853/24820.

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Abstract:

Thesis (M. S.)--Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology, 2008.
Committee Co-Chair: de Oliveira, Cassiano; Committee Co-Chair: Ghiaasiaan, S. Mostafa; Committee Member: Martineau, Richard C.; Committee Member: van Rooijen, W.F.G

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Coskun, Korhan. "Three Dimensional Laminar Compressible Navier Stokes Solver For Internal Rocket Flow Applications." Master's thesis, METU, 2007. http://etd.lib.metu.edu.tr/upload/12609086/index.pdf.

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Abstract:

A three dimensional, Navier-Stokes finite volume flow solver which uses Roe&rsquo
s upwind flux differencing scheme for spatial and Runge-Kutta explicit multi-stage time stepping scheme and implicit Lower-Upper Symmetric Gauss Seidel (LU-SGS) iteration scheme for temporal discretization on unstructured and hybrid meshes is developed for steady rocket internal viscous flow applications. The spatial accuracy of the solver can be selected as first or second order. Second order accuracy is achieved by piecewise linear reconstruction. Gradients of flow variables required for piecewise linear reconstruction are calculated with both Green-Gauss and Least-Squares approaches. The solver developed is first verified against the three-dimensional viscous laminar flow over flat plate. Then the implicit time stepping algorithms are compared against two rocket motor internal flow problems. Although the solver is intended for internal flows, a test case involving flow over an airfoil is also given. As the last test case, supersonic vortex flow between concentric circular arcs is selected.

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Andriulli, Raoul. "Development of an OpenFOAM solver for particle migration in the casting process of solid rocket motors." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2021. http://amslaurea.unibo.it/24352/.

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Abstract:

The aim of this thesis work is the study the solid particles migration phenomenon in concentrated suspension and the development of an OpenFOAM solver able to successfully predict the behaviour of such event. It is, in fact, common knowledge how the solid particles will tend to spread into an heterogeneous arrangement when the fluid is subjected to a non-uniform shear flow. As a consequence, the viscosity field will become uneven as well, giving rise to a non-Newtonian behaviour of the flow. In order to approach the problem, the OpenFOAM transient solver pimpleFoam has been modified, changing the implementation of the equation of motion to make it suitable for a variable viscosity field. Additionally, an iterative cycle for the resolution of the partial differential equation describing the particle migration process has been included in the algorithm. The model chosen to describe the viscosity field is the Krieger’s correlation, which consists of a power law linking the local volume fraction to the dynamic viscosity of the fluid. For the validation of the solver a bidimensional channel flow has been selected; the results of the simulation will be compared to experimental measurements and data provided by a 1D and a 2D finite volume implementations of the model from literature. Following the global trend deduced from the experiment, the distribution profile predicted via OpenFOAM also proved to follow in a quite satisfactory way the results of the 2D model. Subsequently a mesh sensitivity analysis is going to be performed in order to understand how is the solution affected by employing coarser discretizations.

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Genc, Balkan Ziya. "Implementation And Comparison Of Turbulence Models On A Flat Plate Problem Using A Navier-stokes Solver." Master's thesis, METU, 2003. http://etd.lib.metu.edu.tr/upload/1096668/index.pdf.

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Abstract:

For turbulent flow calculations, some of the well-known turbulence models in the literature are applied on a previously developed Navier-Stokes solver designed to handle laminar flows. A finite volume formulation, which is cell-based for inviscid terms and cell-vertex for viscous terms, is used for numerical discretization of the Navier-Stokes equations in conservative form. This formulation is combined with one-step, explicit time marching Lax-Wendroff numerical scheme that is second order accurate in space. To minimize non-physical oscillations resulting from the numerical scheme, second and fourth order artificial smoothing terms are added. To increase the convergence rate of the solver, local time stepping technique is applied. Before applying turbulence models, Navier-Stokes solver is tested for a case of subsonic, laminar flow over a flat plate. The results are in close agreement with Blasius similarity solutions. To calculate turbulent flows, Boussinesq eddy-viscosity approach is utilized. The eddy viscosity (also called turbulent viscosity), which arises as a consequence of this approach, is calculated using Cebeci-Smith, Michel et. al., Baldwin-Lomax, Chien&rsquo
s k-epsilon and Wilcox&rsquo
s k-omega turbulence models. To evaluate the performances of these turbulence models and to compare them with each other, the solver has been tested for a case of subsonic, laminar - transition fixed - turbulent flow over a flat plate. The results are verified by analytical solutions and empirical correlations.

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Cao, Zhixin. "Non-oscillatory forward-in-time method for incompressible flows." Thesis, Loughborough University, 2018. https://dspace.lboro.ac.uk/2134/33265.

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Abstract:

This research extends the capabilities of Non-oscillatory Forward-in-Time (NFT) solvers operating on unstructured meshes to allow for accurate simulation of incompressible turbulent flows. This is achieved by the development of Large Eddy Simulation (LES) and Detached Eddy Simulation (DES) turbulent flow methodologies and the development of parallel option of the flow solver. The effective use of LES and DES requires a development of a subgrid-scale model. Several subgrid-scale models are implemented and studied, and their efficacy is assessed. The NFT solvers employed in this work are based on the Multidimensional Positive Definite Advection Transport Algorithm (MPDATA) that facilitates novel implicit Large Eddy Simulation (ILES) approach to treating turbulence. The flexibility and robustness of the new NFT MPDATA solver are studied and successfully validated using well established benchmarks and concentrate on a flow past a sphere. The flow statistics from the solutions are compared against the existing experimental and numerical data and fully confirm the validity of the approach. The parallel implementation of the flow solver is also documented and verified showing a substantial speedup of computations. The proposed method lays foundations for further studies and developments, especially for exploring the potential of MPDATA in the context of ILES and associated treatments of boundary conditions at solid boundaries.

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Ghavamian, Ataollah. "Un cadre de calcul pour un système de premier ordre de lois de conservation en thermoélasticité." Thesis, Ecole centrale de Nantes, 2020. http://www.theses.fr/2020ECDN0004.

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Abstract:

Il n'est évidemment pas trivial de résoudre analytiquement des problèmes d'ingénierie pratiques en raison de leurs non-linéarités inhérentes. De plus, les tests expérimentaux peuvent être extrêmement coûteux et longs. Au cours des dernières décennies, les techniques numériques ont donc été progressivement développées et utilisées afin d'étudier des applications d'ingénierie complexes par le biais de simulations informatiques. Dans le contexte de la thermo-élastodynamique rapide, les boîtiers commerciaux modernes sont généralement développés sur la base de formulations d'éléments finis basés sur le déplacement de second ordre et, malheureusement, cela introduit une série de défauts numériques (par exemple verrouillage nuisible, modes sablier, pression parasite oscillations). Pour remédier à ces inconvénients, un ensemble mixte de lois de conservation hyperbolique de premier ordre pour la thermoélastodynamique est présenté en termes de moment linéaire par unité de volume non déformé, de gradient de déformation, de son cofacteur, de son jacobien et de l'équilibre de l'énergie totale. Fait intéressant, le cadre de formulation de la conservation permet d'exploiter les techniques CFD disponibles dans le contexte d'une dynamique solide. D'un point de vue informatique, deux discrétisations spatiales distinctes sont employées, à savoir la méthode des volumes finis centrés sur les sommets (VCFVM) et l'hydrodynamique des particules lisses (SPH). Une procédure de reconstruction linéaire associée à un limiteur de pente est utilisée afin d'assurer une précision de second ordre dans l'espace tout en évitant les oscillations numériques au voisinage de gradients nets. Le système d'équations semi-discret est ensuite discrétisé temporellement à l'aide d'un intégrateur de temps Runge-Kutta de diminution de variation totale (TVD) de second ordre. Enfin, un large éventail d'exemples difficiles est présenté afin d'évaluer à la fois la performance et l'applicabilité des régimes proposés. La nouvelle formulation s'est avérée très efficace dans la thermoélasticité presque incompressible par rapport aux approches classiques basées sur le déplacement par éléments finis
It is evidently not trivial to analytically solve practical engineering problems due to their inherent nonlinearities. Moreover, experimental testing can be extremely costly and time-consuming. In the past few decades, therefore, numerical techniques have been progressively developed and utilised in order to investigate complex engineering applications through computer simulations. In the context of fast thermo-elastodynamics, modern commercial packages are typically developed on the basis of second order displacement-based finite element formulations and, unfortunately, that introduces a series of numerical shortcomings (e.g. detrimental locking, hour-glass modes, spurious pressure oscillations). To rectify these drawbacks, a mixed-based set of first order hyperbolic conservation laws for thermo- elastodynamics is presented in terms of the linear momentum per unit undeformed volume, the deformation gradient, its co-factor, its Jacobian and the balance of total Energy. Interestingly, the conservation formulation framework allows exploiting available CFD techniques in the context of solid dynamics. From a computational standpoint, two distinct spatial discretisations are employed, namely, Vertex-Centred Finite Volume Method (VCFVM) and Smooth Particle Hydrodynamics (SPH). A linear reconstruction procedure together with a slope limiter is employed in order to ensure second order accuracy in space whilst avoiding numerical oscillations in the vicinity of sharp gradients. The semi-discrete system of equations is then temporally discretised using a second-order Total Variation Diminishing (TVD) Runge-Kutta time integrator. Finally, a wide spectrum of challenging examples is presented in order to assess both the performance and applicability of the proposed schemes. The new formulation is proven to be very efficient in nearly incompressible thermoelasticity in comparison with classical finite element displacement-based approaches

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Edelvik, Fredrik. "Finite volume solvers for the Maxwell equations in time domain." Licentiate thesis, Uppsala universitet, Avdelningen för teknisk databehandling, 2000. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:uu:diva-86389.

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Abstract:

Two unstructured finite volume solvers for the Maxwell equations in 2D and 3D are introduced. The solvers are a generalization of FD–TD to unstructured grids and they use a third-order staggered Adams–Bashforth scheme for time discretization. Analysis and experiments of this time integrator reveal that we achieve a long term stable solution on general triangular grids. A Fourier analysis shows that the 2D solver has excellent dispersion characteristics on uniform triangular grids. In 3D a spatial filter of Laplace type is introduced to enable long simulations without suffering from late time instability. The recursive convolution method proposed by Luebbers et al. to extend FD–TD to permit frequency dispersive materials is here generalized to the 3D solver. A better modelling of materials which have a strong frequency dependence in their constitutive parameters is obtained through the use of a general material model. The finite volume solvers are not intended to be stand-alone solvers but one part in two hybrid solvers with FD–TD. The numerical examples in 2D and 3D demonstrate that the hybrid solvers are superior to stand-alone FD–TD in terms of accuracy and efficiency.

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Montagnier, Julien. "Etude de schémas numériques d'ordre élevé pour la simulation de dispersion de polluants dans des géométries complexes." Phd thesis, Université Claude Bernard - Lyon I, 2010. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00502476.

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Abstract:

La prévention des risques industriels nécessite de simuler la dispersion turbulente de polluants. Cependant, les outils majoritairement utilisés à ce jour ne permettent pas de traiter les champs proches dans le cas de géométries complexes, et il est nécessaire d'utiliser les outils de CFD (“ Computational Fluid Dynamics ”) plus adaptés, mais plus coûteux. Afin de simuler les écoulements atmosphériques avec dispersion de polluants, les modèles CFD doivent modéliser correctement d'une part, les effets de flottabilité, et d'autre part les effets de la turbulence. Plusieurs approches existent, notamment dans la prise en compte des effets de flottabilité et la modélisation de la turbulence, et nécessitent des méthodes numériques adaptées aux spécificités mathématiques de chacune d'entre elles, ainsi que des schémas numériques précis pour ne pas polluer la modélisation. Une formulation d'ordre élevé en volumes finis, sur maillages non structurés, parallélisée, est proposée pour simuler les écoulements atmosphériques avec dispersion de polluants. L'utilisation de schémas d'ordre élevé doit permettre d'une part de réduire le nombre de cellules et diminuer les temps de simulation pour atteindre une précision donnée, et d'autre part de mieux contrôler la viscosité numérique des schémas en vue de simulations LES (Large Eddy Simulation), pour lesquelles la viscosité numérique des schémas peut masquer les effets de la modélisation. Deux schémas d'ordre élevé ont été étudiés et implémentés dans un solveur 3D Navier Stokes incompressible sur des maillages volumes finis non structurés. Nous avons développé un premier schéma d'ordre élevé, correspondant à un schéma Padé volumes finis, et nous avons étendu le schéma de reconstruction polynomiale de Carpentier (2000) aux écoulements incompressibles. Les propriétés numériques des différents schémas implémentés dans le même code de calcul sont étudiées sur différents cas tests bi-dimensionnels (calcul de flux convectifs et diffusifs sur une solution a-priori, convection d'une tâche gaussienne, décroissance d'un vortex de Taylor et cavité entraînée) et tri-dimensionnel (écoulement autour d'un obstacle cubique). Une attention particulière a été portée à l'étude de la précision et du traitement des conditions limites. L'implémentation proposée du schéma polynomial permet d'approcher, pour un maillage identique, les temps de simulation obtenus avec un schéma décentré classique d'ordre 2, mais avec une précision supérieure. Le schéma compact donne la meilleure précision. En utilisant une méthode de Jacobi sans calcul implicite de la matrice pour calculer le gradient, le temps de simulation devient intéressant uniquement lorsque la précision requise est importante. Une alternative est la résolution du système linéaire par une méthode multigrille algébrique. Cette méthode diminue considérablement le temps de calcul du gradient et le schéma Padé devient performant même pour des maillages grossiers. Enfin, pour réduire les temps de simulation, la parallélisation des schémas d'ordre élevé est réalisée par une décomposition en sous domaines. L'assemblage des flux s'effectue naturellement et différents solveurs proposés par les librairies PETSC et HYPRE (solveur multigrille algébrique et méthode de Krylov préconditionnée) permettent de résoudre les systèmes linéaires issus de notre problème. Le travail réalisé a consisté à identifier et déterminer les paramètres de résolution qui conduisent aux temps de simulation les plus faibles. Différents tests de speed-up et de scale-up ont permis de déterminer la méthode la plus efficace et ses paramètres optimaux pour la résolution en parallèle des systèmes linéaires issus de notre problème. Les résultats de ce travail ont fait l'objet d'une communication dans un congrès international “ parallel CFD juin 2008 ” et d'un article soumis à “ International Journal for Numerical Methods in Fluids ” (Analysis of high-order finite volume schemes for the incompressible Navier Stokes equations)

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MARTINS, ROBERTO SANTOS. "FINITE ELEMENT METHOD BASED ON CONTROL VOLUME TO SOLVE FLOW FIELD." PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO, 1996. http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=18995@1.

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Abstract:

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO
COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DO PESSOAL DE ENSINO SUPERIOR
Neste trabalho estudou-se um método numérico para simulação de processos Envolvendo transporte convectivo de calor e massa. A metodologia é baseada no Método de elementos finitos, utilizando-se o conceito de volumes de controle, e tem Como objetivo lidar com geometrias irregulares e malhas não uniformes. A formulação é baseada em variáveis primitivas, e atribui-se grande importância à interpretação da formulação em termos de grandezas com significado físico tais como fluxos, forças e fontes. Em problemas que não envolvem o cálculo do escoamento,o domínio de cálculo é discretizado utilizando-se elementos triangulares de três nós. Nos demais problemas, o domínio é primeiramente discretizado utilizando-se macroelementos triangulares de seis nós, então cada macroelemento é dividido em quatro subelementos triangulares de três nós. Não há restrições quanto á forma ou tamanho destes elementos. Após esta triangularização do domínio de cálculo, associa-se a cada nó um volume de controle poligonal. A natureza do problema a ser resolvido determina as formas das funções de interpolação para as variáveis dependentes. Em problemas de condução, todas as variáveis dependentes são interpoladas linearmente em cada elemento triangular de três nós. Entretanto, em problemas envolvendo escoamento, utiliza-se funções especiais de interpolação para todas as variáveis dependentes, exceto a pressão. Estas funções de interpolação são exponenciais na direção de um vetor velocidade média no elemento e lineares na direção perpendicular ao mesmo, elas dependem do número de Peclet para o elemento, reduzindo-se a completamente linear quando este se aproxima de zero. Na formulação do método, os princípios de conservação de interesse são impostos aos volumes de controle associados aos nós. Os sistemas resultantes de equações integrais de conservação são então aproximados por equações algébricas, utilizando-se as funções de interpolação discutidas anteriormente. Estas equações algébricas,que são em geral não lineares e acopladas, são resolvidas através de um processo iterativo similiar ao método das aproximações sucessivas. Em cada ciclo deste procedimento, a pressão, os componentes da velocidade, a correção da pressão e todas as demais variáveis dependentes são resolvidas de uma forma seqüencial. Problemas testes foram realizados, apresentando bons resultados.
A general numerical method for the prediction of convenctive heat and mass transfer Process has been studied. The method has been designed to handle irregularshaped Domains and work with highly non-uniform grids. The formulation is based on Primitive variables. Considerable importance has been attached to the interpretation of the formulation in terms of physically meaningful qualities like fluxes, forces, and sources. In problems in discretized into three-node triangular elements. In all other problems, the domain is first discretized into six-node triangular macroelements, then each mecroelement is divided into four thrree-node triangular subelements. No restrictions are placed on either the shape or the dize of these elements.Following this domain triangulation, each node solved determines the forms of the interpolation fuctions for the dependent variables. In conduction-type problems,all interpolation functions for the interpolated linearly in each- three-node element. In problems involving fluid flow, however, special interpolation functions are used in each three node element,for all dependent variables expect pressure. These interpolation functions are exponencial in the direction of an element-averaged velocity vector and linear in a direction normal to it, they respond to an element Peclet number, reducing to a completely linear form when it approaches zero. In the formulation of the method, appropriate conservation laws are imposed on the polygonal control volumes associated with the nodes. The resulting sets of integral conservation equations are then aproximated by algenbraic equations, using the interpolation functions discussed above. These algebraic equations, which are non-linear and coupled, in general, are solved by an iterative procedure similar to the method of sucessive approximations. In each cycle of this procedure, the pressure, the velocity components, and all other Dependent variables are solved for in a sequencial manner. Test problems have been solved, and the results are very encouraging.

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Oriani, Mattia. "A mixed hybrid finite volumes solver for robust primal and adjoint CFD." Thesis, Queen Mary, University of London, 2018. http://qmro.qmul.ac.uk/xmlui/handle/123456789/39760.

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Abstract:

In the context of gradient-based numerical optimisation, the adjoint method is an e cient way of computing the gradient of the cost function at a computational cost independent of the number of design parameters, which makes it a captivating option for industrial CFD applications involving costly primal solves. The method is however a ected by instabilities, some of which are inherited from the primal solver, notably if the latter does not fully converge. The present work is an attempt at curbing primal solver limitations with the goal of indirectly alleviating adjoint robustness issues. To that end, a novel discretisation scheme for the steady-state incompressible Navier- Stokes problem is proposed: Mixed Hybrid Finite Volumes (MHFV). The scheme draws inspiration from the family of Mimetic Finite Di erences and Mixed Virtual Elements strategies, rid of some limitations and numerical artefacts typical of classical Finite Volumes which may hinder convergence properties. Derivation of MHFV operators is illustrated and each scheme is validated via manufactured solutions: rst for pure anisotropic di usion problems, then convection-di usion-reaction and nally Navier-Stokes. Traditional and novel Navier-Stokes solution algorithms are also investigated, adapted to MHFV and compared in terms of performance. The attention is then turned to the discrete adjoint Navier-Stokes system, which is assembled in an automated way following the principles of Equational Di erentiation, i.e. the di erentiation of the primal discrete equations themselves rather than the algorithm used to solve them. Practical/computational aspects of the assembly are discussed, then the adjoint gradient is validated and a few solution algorithms for the MHFV adjoint Navier-Stokes are proposed and tested. Finally, two examples of full shape optimisation procedures on internal ow test cases (S-bend and U-bend) are reported.

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Vittoz, Louis. "Contributions au développement d’un solveur volumes finis sur grille cartésienne localement raffinée en vue d’application à l’hydrodynamique navale." Thesis, Ecole centrale de Nantes, 2018. http://www.theses.fr/2018ECDN0020/document.

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Abstract:

L’objectif de cette thèse est de répondre au besoin d’accélérer la restitution des résultats de calcul d’un code CFD pour la simulation d’écoulements hydrodynamiques quasi-incompressibles. Ce code présente l’originalité de résoudre explicitement les équations de Navier-Stokes sous l’hypothèse de faible compressibilité avec des schémas numériques d’ordre élevé. Les développements effectués visent à réduire les temps de calcul à précision équivalente.Une première partie est consacrée à l’implémentation d’une formulation purement incompressible avec une résolution implicite de la pression par un schéma de projection. La formulation incompressible autorise des pas de temps plus grand en s’affranchissant de la vitesse du son, mais au prix d’une algorithmique plus complexe et de la nécessité de résoudre un système linéaire. La comparaison des deux formulations,faiblement-compressible et incompressible, tend à montrer la pertinence du schéma de projection pour les écoulements laminaires instationnaires.Un deuxième axe de développement a consisté en la proposition d’une amélioration de la méthode de frontière immergée initialement présente dans le code.Si les résultats obtenus ne sont pas encore pleinement satisfaisants, ils montrent que la montée en ordre d’une méthode de frontière immergée peut être moins contraignante en formulation incompressible.Enfin la dernière partie traite de l’immersion rapide et robuste de géométries complexes telles qu’elles peuvent être rencontrées dans l’industrie. La localisation géométrique par arbre octal permet d’évaluer rapidement une fonction de distance signée indispensable pour la méthode de frontière immergée
An original strategy to address hydrodynamic flow was recently proposed through a high-order weakly-compressible Cartesian grid approach. The method is based on a fully-explicit temporal scheme for solving the Navier-Stokes equations. The present thesis aims to reduce the computational time required to obtain the results without deteriorating the accuracy.A first part is dedicated to the implementation of a truly incompressible formulation with an implicit solution for the pressure field through a projection scheme. The incompressible solver allows larger time step size for time integration since the speed of sound tends to infinity. In return the algorithms are no longer straight forward and a linear system has to be solved through the Pressure Poisson Equation. Comparisons carried out between both formulations show that the projection scheme can be better adapted to efficiently simulate unsteady viscous flows. Then an improvement of the immersed boundary method has been proposed. Results are not fully satisfactory for now. However, it seems easier to develop a numerical scheme for the incompressible approach rather than the weakly-compressible one.Finally, the last part addresses the setup up of complex triangulations in immersed boundary simulations. A fast and robust procedure is developed for distance computation with an octree data structure

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Tesser, Federico. "Solveur parallèle pour l’équation de Poisson sur mailles superposées et hiérarchiques, dans le cadre du langage Python." Thesis, Bordeaux, 2018. http://www.theses.fr/2018BORD0129/document.

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Abstract:

Les discrétisations adaptatives sont importantes dans les problèmes de fluxcompressible/incompressible puisqu'il est souvent nécessaire de résoudre desdétails sur plusieurs niveaux, en permettant de modéliser de grandes régionsd'espace en utilisant un nombre réduit de degrés de liberté (et en réduisant letemps de calcul).Il existe une grande variété de méthodes de discrétisation adaptative, maisles grilles cartésiennes sont les plus efficaces, grâce à leurs stencilsnumériques simples et précis et à leurs performances parallèles supérieures.Et telles performance et simplicité sont généralement obtenues en appliquant unschéma de différences finies pour la résolution des problèmes, mais cetteapproche de discrétisation ne présente pas, au contraire, un chemin faciled'adaptation.Dans un schéma de volumes finis, en revanche, nous pouvons incorporer différentstypes de maillages, plus appropriées aux raffinements adaptatifs, en augmentantla complexité sur les stencils et en obtenant une plus grande flexibilité.L'opérateur de Laplace est un élément essentiel des équations de Navier-Stokes,un modèle qui gouverne les écoulements de fluides, mais il se produit égalementdans des équations différentielles qui décrivent de nombreux autres phénomènesphysiques, tels que les potentiels électriques et gravitationnels. Il s'agitdonc d'un opérateur différentiel très important, et toutes les études qui ontété effectuées sur celui-ci, prouvent sa pertinence.Dans ce travail seront présentés des approches de différences finies et devolumes finis 2D pour résoudre l'opérateur laplacien, en appliquant des patchsde grilles superposées où un niveau plus fin est nécessaire, en laissant desmaillages plus grossiers dans le reste du domaine de calcul.Ces grilles superposées auront des formes quadrilatérales génériques.Plus précisément, les sujets abordés seront les suivants:1) introduction à la méthode des différences finies, méthode des volumes finis,partitionnement des domaines, approximation de la solution;2) récapitulatif des différents types de maillages pour représenter de façondiscrète la géométrie impliquée dans un problème, avec un focussur la structure de données octree, présentant PABLO et PABLitO. Le premier estune bibliothèque externe utilisée pour gérer la création de chaque grille,l'équilibrage de charge et les communications internes, tandis que la secondeest l'API Python de cette bibliothèque, écrite ad hoc pour le projet en cours;3) la présentation de l'algorithme utilisé pour communiquer les données entreles maillages (en ignorant chacune l'existence de l'autre) en utilisant lesintercommunicateurs MPI et la clarification de l'approche monolithique appliquéeà la construction finale de la matrice pour résoudre le système, en tenantcompte des blocs diagonaux, de restriction et de prolongement;4) la présentation de certains résultats; conclusions, références.Il est important de souligner que tout est fait sous Python comme framework deprogrammation, en utilisant Cython pour l'écriture de PABLitO, MPI4Py pour lescommunications entre grilles, PETSc4py pour les parties assemblage et résolutiondu système d'inconnues, NumPy pour les objets à mémoire continue.Le choix de ce langage de programmation a été fait car Python, facile àapprendre et à comprendre, est aujourd'hui un concurrent significatif pourl'informatique numérique et l'écosystème HPC, grâce à son style épuré, sespackages, ses compilateurs et pourquoi pas ses versions optimisées pour desarchitectures spécifiques
Adaptive discretizations are important in compressible/incompressible flow problems since it is often necessary to resolve details on multiple levels,allowing large regions of space to be modeled using a reduced number of degrees of freedom (reducing the computational time).There are a wide variety of methods for adaptively discretizing space, but Cartesian grids have often outperformed them even at high resolutions due totheir simple and accurate numerical stencils and their superior parallel performances.Such performance and simplicity are in general obtained applying afinite-difference scheme for the resolution of the problems involved, but this discretization approach does not present, by contrast, an easy adapting path.In a finite-volume scheme, instead, we can incorporate different types of grids,more suitable for adaptive refinements, increasing the complexity on thestencils and getting a greater flexibility.The Laplace operator is an essential building block of the Navier-Stokes equations, a model that governs fluid flows, but it occurs also in differential equations that describe many other physical phenomena, such as electric and gravitational potentials, and quantum mechanics. So, it is a very importantdifferential operator, and all the studies carried out on it, prove itsrelevance.In this work will be presented 2D finite-difference and finite-volume approaches to solve the Laplacian operator, applying patches of overlapping grids where amore fined level is needed, leaving coarser meshes in the rest of the computational domain.These overlapping grids will have generic quadrilateral shapes.Specifically, the topics covered will be:1) introduction to the finite difference method, finite volume method, domainpartitioning, solution approximation;2) overview of different types of meshes to represent in a discrete way thegeometry involved in a problem, with a focuson the octree data structure, presenting PABLO and PABLitO. The first one is anexternal library used to manage each single grid’s creation, load balancing and internal communications, while the second one is the Python API ofthat library written ad hoc for the current project;3) presentation of the algorithm used to communicate data between meshes (beingall of them unaware of each other’s existence) using MPI inter-communicators and clarification of the monolithic approach applied building the finalmatrix for the system to solve, taking into account diagonal, restriction and prolongation blocks;4) presentation of some results; conclusions, references.It is important to underline that everything is done under Python as programmingframework, using Cython for the writing of PABLitO, MPI4Py for the communications between grids, PETSc4py for the assembling and resolution partsof the system of unknowns, NumPy for contiguous memory buffer objects.The choice of this programming language has been made because Python, easy to learn and understand, is today a significant contender for the numerical computing and HPC ecosystem, thanks to its clean style, its packages, its compilers and, why not, its specific architecture optimized versions

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Gosavi, Shekhar Vishwanath. "An integrated finite element and finite volume code to solve thermo-hydro-mechanical problems in porous media." Diss., Manhattan, Kan. : Kansas State University, 2006. http://hdl.handle.net/2097/157.

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Nguyen, Hung Chinh. "Simulation de modèles hydrodynamiques et de transfert radiatif intervenant dans la description d'écoulements astrophysiques." Thesis, Paris 11, 2011. http://www.theses.fr/2011PA112073.

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Abstract:

Ce sujet concerne un travail pluridisciplinaire mathématique et astrophysique. Le but de cette thèse est l'étude des modèles d'hydrodynamique radiative dont l'application est bien évidemment très vaste en physique et astrophysique. Les modèles M1-multigroupes sont explorés pour décrire le transfert radiatif sans faire à priori d'hypothèse sur la profondeur optique du milieu. L'intérêt qui découle directement de ce travail est le développement du code d'hydrodynamique radiative HADES 2D permettant le calcul massivement parallèle. Il autorise des simulations dans des configurations astrophysiques réalistes en termes de nombre de Mach et de contraste de densité et de température entre les différents milieux. Nous nous sommes concentrés sur deux applications intéressantes : les jets d'étoiles jeunes et les chocs radiatifs dont les premières simulations seront présentées
This topic is a multidisciplinary work between mathematics and astrophysics. The aim of this thesis is the study of radiation hydrodynamic models of which application is obviously very broad in physics and astrophysics. M1-multigroup models are explored to describe the radiative transfer without a priori assumption on the optical depth of the medium. The interest ensuing directly from this work is the development of a radiation hydrodynamic code, namely HADES 2D, for massively parallel computing. It allows simulations in realistic astrophysical configurations in terms of Mach number, density and temperature contrasts between different environments. We focused on two interesting applications: the jets from young stars and the radiative shocks of which first simulations will be presented

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MacHardy, Laura C. "Numerical modelling of phase-averaged nearshore hydrodynamics using finite volumes and a new Roe-type Riemann solver." Thesis, University of Nottingham, 2005. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.423289.

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Chauveheid, Daniel. "Ecoulements multi-matériaux et multi-physiques : solveur volumes finis eulérien co-localisé avec capture d’interfaces, analyse et simulations." Thesis, Cachan, Ecole normale supérieure, 2012. http://www.theses.fr/2012DENS0032/document.

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Abstract:

Ce travail de thèse porte sur l'extension et l'analyse d'un solveur volumes finis eulérien, co-localisé avec capture d'interfaces pour la simulation des écoulements multi-matériaux non miscibles. Les extensions proposées s'inscrivent dans la volonté d'élaborer un outil de simulation multi-physiques. Dans le cadre de ce mémoire, le caractère multi-physiques recouvre les champs que nous allons détailler. Nous traitons le cas des écoulements radiatifs modélisés par un système à deux températures qui couple les phénomènes purement hydrodynamiques aux phénomènes radiatifs. Nous proposons un solveur permettant la prise en compte des effets de tension superficielle à l'interface entre deux fluides. Nous développons un solveur implicite permettant la simulation précise d'écoulements faisant intervenir de faibles nombres de Mach par le biais d'une méthode de renormalisation de la diffusion numérique. Enfin, les effets tri-dimensionnels sont considérés ainsi que la possibilité d'étendre le schéma de base aux écoulements à un nombre quelconque de matériaux. A chaque étape, les solveurs développés sont validés sur des cas-tests
This work is devoted to the extension of a eulerian cell-centered finite volume scheme with interfaces capturing for the simulation of multimaterial fluid flows. Our purpose is to develop a simulation tool which could be able to handle multi-physics problems in the following sense. We address the case of radiating flows, modeled by a two temperature system of equations where the hydrodynamics are coupled to radiation transport. We address a numerical scheme for taking surface tension forces into account. An implicit scheme is proposed to handle low Mach number fluid flows by means of a renormalization of the numerical diffusion. Eventually, the scheme is extended to three-dimensional flows and to multimaterial flows, that is with an arbitrary number of materials. At each step, numerical simulations validate our schemes

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Schmidtmann, Birte [Verfasser], Manuel [Akademischer Betreuer] Torrilhon, and Antonio [Akademischer Betreuer] Marquina. "On building blocks of finite volume methods : Limiter functions and Riemann solvers / Birte Schmidtmann ; Manuel Torrilhon, Antonio Marquina." Aachen : Universitätsbibliothek der RWTH Aachen, 2018. http://d-nb.info/1162629509/34.

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MagalhÃes, Madson Linhares. "Modeling and simulation of process of drying convective using differential model diffusive - convective solved by method of numerical finite volumes." Universidade Federal do CearÃ, 2016. http://www.teses.ufc.br/tde_busca/arquivo.php?codArquivo=16573.

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Abstract:

The consumption of energy is a main factor that determines the viability of any industrial process. Thermal dehydration is responsible for a high consumption of energy. In developed countries, 9 to 25% of the energy consumption of the national industry is attached to thermal dehydration. Thus, studying the dehydration process shows itself very promisor. In biological products, dehydration has a specific importance, the product conservation. The organic matter of the product and its water create a propitious medium for microorganisms proliferation that will deteriorate the product, making the product inappropriate for consumption. In this work, the modeling and simulation of a convective dehydration process using a diffusive-convective differential model solved by the finite volumes numeric method for predicting the behavior of the mean moisture content during the dehydration, defining molecular mass transfer and convective coefficients, and drawing moisture profiles of the interior of the solid. To evaluate the influence of internal and external resistances, the mass transfer Biot number was obtained. The implementation of the models of this work were made in PythonÂ using its scientific models for solving differential equations. This tool has been utilized because it is open source, has simple implementation when compared to other programming languages and has performance when performing simulations. As study of cases, experimental data of assisted convective dehydration by ultrasound of apple (Malus domestica L. var Royal Gala) cubes with 8 mm under the following operation conditions: 1, 2, 3 and 5 m/s for dehydration velocities, air flow temperature of 45ÂC and 60ÂC, presence and absence of ultrasound during the dehydration process and presence and absence of the pre-treatment with ultrasounds. The apple cubes of the experiments have 25 Â1g of mass. The dehydration has been performed until the removal of 80% of the initial mass of the cubes. The parameters, diffusivity and mass transfer coefficient, have been adjusted by Levenberg-Marquardt non-linear regression method. The results obtained in the simulations showed that the implemented model is very promisor, because it represents accurately the process. The values for diffusivity and mass transfer coefficient herein obtained were plausible. The influence of the air flow velocity, temperature and ultrasounds assistance and ultrasounds pre-treatments have been analyzed.
O consumo de energia Ã um fator determinante na viabilidade de qualquer processo industrial. A desidrataÃÃo tÃrmica Ã responsÃvel por um alto consumo de energia tÃrmica. Em paÃses desenvolvidos, o consumo da energia da indÃstria nacional Ã atribuÃdo, em mÃdia, entre 9-25% a desidrataÃÃo tÃrmica. Assim, o estudo do processo de secagem se mostra bastante promissor. Em produtos biolÃgicos, a secagem tem uma importÃncia especÃfica, a conservaÃÃo do produto, pois a matÃria orgÃnica do produto e a Ãgua presente nele torna este um local propÃcio para a proliferaÃÃo de micro-organismos que irÃo deteriorar o produto, tornando-o inapropriado para consumo. Neste trabalho, realizou-se a modelagem e simulaÃÃo do processo de secagem convectiva utilizando modelo diferencial difusivo-convectivo resolvido pelo mÃtodo numÃrico dos volumes finitos para predizer o comportamento do conteÃdo de umidade mÃdio durante a secagem de cubos, definir os coeficientes de transferÃncia de massa molecular e convectivo e encontrar os perfis do conteÃdo de umidade no interior do sÃlido. Para avaliar a influÃncia das resistÃncias interna e externa, o nÃmero de Biot de Massa foi obtido. A implementaÃÃo dos modelos deste trabalho foi realizada na ferramenta livre PythonÂ utilizando seus mÃdulos cientÃficos de resoluÃÃo de equaÃÃes diferenciais. Esta ferramenta foi utilizada porque Ã livre, implementaÃÃo simples, quando comparada com outras linguagens e possui alta performance nas simulaÃÃes. Como estudos de caso, utilizaram-se dados experimentais da secagem convectiva assistida por ultrassom de cubos de maÃÃ (Malus domestica L. var Royal Gala) com 8 mm de aresta nas seguintes condiÃÃes operacionais: velocidades de secagem: 1, 2, 3 e 5 m/s; temperatura do ar de secagem: 45 ÂC e 60 ÂC; presenÃa e ausÃncia de ultrassom durante a secagem; presenÃa e ausÃncia de etapa de prÃ-tratamento com ultrassom. Os cubos de maÃÃ dos experimentos tinham, em mÃdia, 25Â1 g. A secagem foi realizada atÃ que as amostras perdessem 80% da massa inicial. Os parÃmetros, difusividade e coeficiente de transferÃncia de massa, foram ajustados por regressÃo nÃo linear pelo mÃtodo de Levenberg-Marquardt. Os resultados obtidos nas simulaÃÃes mostraram que o modelo implementado Ã promissor, pois representa bem o processo. Os valores obtidos da difusividade e coeficiente de transferÃncia de massa foram plausÃveis. Analisou-se a influÃncia da velocidade do ar de secagem, da temperatura, da assistÃncia do ultrassom no processo e da utilizaÃÃo de uma etapa de prÃ-tratamento com ultrassom no processo de secagem.

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Resende, Ferreira Cháulio de [Verfasser], Michael G. [Akademischer Betreuer] Bader, Michael G. [Gutachter] Bader, and Olaf [Gutachter] Schenk. "Vectorization and Patch-Based Adaptive Mesh Refinement for Finite Volume Solvers / Cháulio de Resende Ferreira ; Gutachter: Michael G. Bader, Olaf Schenk ; Betreuer: Michael G. Bader." München : Universitätsbibliothek der TU München, 2019. http://d-nb.info/119723263X/34.

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Chauveheid, Daniel. "Ecoulements multi-matériaux et multi-physiques : solveur volumes finis eulérien co-localisé avec capture d'interfaces, analyse et simulations." Phd thesis, École normale supérieure de Cachan - ENS Cachan, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00749651.

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Abstract:

Ce travail de thèse porte sur l'extension et l'analyse d'un solveur volumes finis eulérien, co-localisé avec capture d'interfaces pour la simulation des écoulements multi-matériaux non miscibles. Les extensions proposées s'inscrivent dans la volonté d'élaborer un outil de simulation multi-physiques. Dans le cadre de ce mémoire, le caractère multi-physiques recouvre les champs que nous allons détailler. Nous traitons le cas des écoulements radiatifs modélisés par un système à deux températures qui couple les phénomènes purement hydrodynamiques aux phénomènes radiatifs. Nous proposons un solveur permettant la prise en compte des effets de tension superficielle à l'interface entre deux fluides. Nous développons un solveur implicite permettant la simulation précise d'écoulements faisant intervenir de faibles nombres de Mach par le biais d'une méthode de renormalisation de la diffusion numérique. Enfin, les effets tri-dimensionnels sont considérés ainsi que la possibilité d'étendre le schéma de base aux écoulements à un nombre quelconque de matériaux. A chaque étape, les solveurs développés sont validés sur des cas-tests.

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Masella, Jean-Marie. "Quelques méthodes numériques pour les écoulements diphasiques bi-fluide en conduites pétrolières." Paris 6, 1997. http://www.theses.fr/1997PA066459.

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Abstract:

Dans cette these nous nous interessons a la resolution numerique de quelques modeles d'ecoulements diphasiques de type gaz-liquide en conduites petrolieres. Les methodes numeriques developpees sont loin de se restreindre au cadre petrolier, mais peuvent etre utilisees plus generalement dans le cadre de la discretisation de tout modele physique s'exprimant sous la forme d'un systeme hyperbolique. Nous introduisons deux modeles bi-fluide isothermes comportant une equation de masse et une equation de quantite de mouvement par phase, valables respectivement en regime stratifie et en regime disperse. Ces modeles sont hyperboliques sous une condition physiquement acceptable et s'expriment sous une forme vectorielle non-conservative. Nous definissons un nouveau schema numerique (vfroe) de type volumes finis base sur la resolution d'un probleme de riemann linearise capturant les chocs de maniere satisfaisante et ne necessitant pas de calculs analytiques. Ce schema est compare au classique schema de roe. Nous proposons et etudions alors quelques methodes numeriques non-conservatives, avec et sans splitting de flux, adaptees a la discretisation des modeles diphasiques basees sur une integration directe de type volumes finis des equations et s'appuyant sur le schema vfroe. Afin de reduire le temps calculs lie au faible nombre de mach des ecoulements, les ondes acoustiques sont implicitees. Nous proposons une discretisation des conditions aux limites de type fluide adaptee aux ecoulements instationnaires en conduites. De nombreux cas-tests numeriques academiques et pratiques montrent que ces methodes numeriques conduisent a des resultats satisfaisants.

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Cioni, Jean-Pierre. "Résolution numérique des équations de Maxwell instationnaires par une méthode de volumes finis." Phd thesis, Université de Nice Sophia-Antipolis, 1995. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00005612.

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Abstract:

Ce travail a consisté essentiellement à l'élaboration d'un nouveau solveur des équations de Maxwell dans le domaine temporel et pour des maillages non structurés, ainsi qu'au développement de logiciels bidimensionnel et tridimensionnel. Cette méthode est issue d'une technique de volumes finis largement utilisés en mécaniques des fluides et développée au CERMICS et à l'INRIA Sophia-Antipolis. L'avantage principal de la méthode proposée est la construction assez immédiate et à faible coût en dimension trois d'espace de schémas explicites décentrés du troisième ordre à la fois en temps et en espace; les maillages considérés sont de type éléments finis non structurés. Nous présentons dans un premier temps les équations de Maxwell sous forme conservative, le caractère hyperbolique du système de Maxwell, ainsi que la méthode numérique utilisée. La seconde partie est plus particulièrment axée sur des calculs de surface équivalente radar. De nombreux cas tests numériques de validation en deux et trois dimensions y figurent. Un solveur de Rieman exact adapté aux milieux hétérogènes et aux fortes variations d'indices de matériaux a également été développpé et la parallélisation de l'algorithme a été réalisé à la fois sur des architectures SIMD et MIMD. Enfin, un couplage des équations de Vlasov et Maxwell pour la modélisation du transport de particules chargées dans les champs électromagnétiques a également été réalisé.

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Guillemaud, Vincent. "Modélisation et simulation numérique des écoulements diphasiques par une approche bifluide à deux pressions." Phd thesis, Université de Provence - Aix-Marseille I, 2007. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00169178.

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Abstract:

Dans ce mémoire, on s'intéresse à la simulation des écoulements liquide-vapeur en transition de phase. Pour décrire ces écoulements, une approche bifluide moyennée à deux pressions indépendantes est retenue. Cette description du mélange liquide-vapeur s'appuie sur le modèle à sept équations de Baer et Nunziato. On étudie les aptitudes de cette modélisation à simuler les transitions de phase apparaissant en ingénierie nucléaire.

Dans un premier temps, on élabore un cadre thermodynamique théorique pour décrire les écoulements liquide-vapeur. Dans ce cadre, on réalise la fermeture du modèle de Baer et Nunziato. De nouvelles modélisations sont proposées pour les termes d'interaction entre les phases. Ces nouvelles modélisations dotent le modèle bifluide à deux pressions d'une inégalité d'entropie. On étudie ensuite les propriétés mathématiques de ce modèle. Sa partie convective hyperbolique se présente sous une forme non-conservative. On étudie tout d'abord la définition de ses solutions faibles. Divers régimes d'écoulement sont alors mis à jour pour le mélange diphasique. Ces différents régimes d'écoulement présentent des analogies avec le comportement fluvial et torrentiel des écoulements en rivière. Les stabilités linéaire et non-linéaire de l'équilibre liquide-vapeur sont ensuite établies. Pour affiner notre description des interactions diphasiques, on étudie pour finir l'implémentation d'un modèle de turbulence, ainsi que l'implémentation d'une procédure de reconstruction pour la densité d'aire interfaciale.

On s'intéresse ensuite à la simulation de ce modèle. Suivant une approche à pas fractionnaires, une méthode numérique est élaborée dans un formalisme Volumes Finis. Pour réaliser l'approximation de la partie convective, diverses adaptations non-conservatives de solveurs de Riemann standard sont tout d'abord proposées. A l'inverse du cadre non-conservatif classique, l'ensemble de ces schémas converge vers une unique solution. Un nouveau schéma de relaxation est ensuite proposé pour approcher la dynamique des transferts interfaciaux. L'ensemble de la méthode numérique se caractérise alors par la préservation des équilibres liquide-vapeur. Dans un premier temps, cette méthode numérique est employée à la comparaison des différentes modélisations bifluides à une et deux pressions. On l'applique ensuite à la simulation des écoulements liquide-vapeur dans les circuits hydrauliques des réacteurs à eau sous pression en configuration accidentelle.

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Gressier, Jérémie. "Robustesse et précision des schémas décentrés pour les écoulements compressibles." Phd thesis, Toulouse, ENSAE, 1999. http://oatao.univ-toulouse.fr/2350/1/Gressier_2350.pdf.

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Abstract:

L'étude des schémas numériques pour les équations d'Euler compressibles est un préalable à la simulation d'écoulements visqueux par les équations de Navier-Stokes. Elle a été décomposée en trois étapes : l'étude des schémas existants, leurs fondements, qualités et défauts ; l'analyse de la propriété convoitée de positivité ; et l'étude de phénomènes encore mystérieux, consiférés comme pathologiques et nommé carbuncle. Dans la première partie, un regard critique mais constructif est porté sur la plupart de schémas décentrés : les schémas FVS, FDS, les méthodes intégrales ou hybrides. Des variantes sont proposées dans le but d'améliorer vees méthodes. Dans la seconde partie, une caractérisation théorique de la robustesse est détaillée, en particulier dans le cadre des schémas FVS : la positivité. Une condition nécessaire et suffisante est exhibée. Elle permet de démontrer la positivité des schémas de Steger et Warming et de deux formulations du schéma de van Leer. De plus, l'incompatibilité de cette propriété avec la résolution exacte des discontinuités de contact est démontrée pour les schémas FVS. Après une description du phénomène du carbuncle, la troisième partie est consacrée à une étude approfondie du comportement des schméas. Enfin, une analyse précise du caractère instable du phénomène sera fournie et comparée avec les résultats théoriques récents de Robinet (1999).

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Tryoen, Julie. "Méthodes de Galerkin stochastiques adaptatives pour la propagation d'incertitudes paramétriques dans les modèles hyperboliques." Phd thesis, Université Paris-Est, 2011. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00795322.

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Abstract:

On considère des méthodes de Galerkin stochastiques pour des systèmes hyperboliques faisant intervenir des données en entrée incertaines de lois de distribution connues paramétrées par des variables aléatoires. On s'intéresse à des problèmes où un choc apparaît presque sûrement en temps fini. Dans ce cas, la solution peut développer des discontinuités dans les domaines spatial et stochastique. On utilise un schéma de Volumes Finis pour la discrétisation spatiale et une projection de Galerkin basée sur une approximation polynomiale par morceaux pour la discrétisation stochastique. On propose un solveur de type Roe avec correcteur entropique pour le système de Galerkin, utilisant une technique originale pour approcher la valeur absolue de la matrice de Roe et une adaptation du correcteur entropique de Dubois et Mehlmann. La méthode proposée reste coûteuse car une discrétisation stochastique très fine est nécessaire pour représenter la solution au voisinage des discontinuités. Il est donc nécessaire de faire appel à des stratégies adaptatives. Comme les discontinuités sont localisées en espace et évoluent en temps, on propose des représentations stochastiques dépendant de l'espace et du temps. On formule cette méthodologie dans un contexte multi-résolution basé sur le concept d'arbres binaires pour décrire la discrétisation stochastique. Les étapes d'enrichissement et d'élagage adaptatifs sont réalisées en utilisant des critères d'analyse multi-résolution. Dans le cas multidimensionnel, une anisotropie de la procédure adaptative est proposée. La méthodologie est évaluée sur le système des équations d'Euler dans un tube à choc et sur l'équation de Burgers en une et deux dimensions stochastiques

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Galié, Thomas. "Couplage interfacial de modèles en dynamique des fluides : application aux écoulements diphasiques." Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2009. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00395593.

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Abstract:

Cette thèse est dédiée à l'étude de problèmes de couplage en espace entre différents modèles d'écoulements compressibles. Nous considérons des formulations monodimensionnelles où l'interface de couplage est mince, fixe et séparant deux régions de l'espace correspondant aux deux modèles à coupler. L'objectif de notre travail consiste à définir une condition de couplage à l'interface et à résoudre numériquement le problème de couplage muni de cette condition. Après un état de l'art non exhaustif sur le couplage de systèmes hyperboliques de lois de conservation, nous proposons une nouvelle formulation de condition de couplage basée sur l'ajout d'un terme source mesure agissant exactement sur l'interface de couplage. Nous supposons, dans un premier temps, que le poids associé à ce terme source est connu et constant. Deux solveurs de Riemann sont développés dont une approche par relaxation préservant les solutions équilibres du problème de couplage. Cette méthode par relaxation est reprise par la suite dans le cadre d'un problème d'optimisation sous contraintes pour déterminer un poids dynamique en temps selon différentes motivations de transmission à l'interface. Dans une seconde partie, nous développons un solveur de Riemann approché pour un modèle bifluide à deux pressions dans le cas d'un écoulement diphasique isentropique par phase. Le modèle en question a pour particularité de comprendre des termes non conservatifs que l'on réécrit alors sous la forme de termes sources mesures. L'approche par relaxation établie dans la partie précédente est alors étendue au cas du modèle bifluide, moyennant une estimation a priori des contributions non conservatives. Cette méthode nous permet, dans un dernier chapitre, de résoudre numériquement le problème de couplage interfacial entre un modèle bifluide à deux pressions et un modèle de drift-flux grâce à l'approche dite du modèle père.

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Faucher, Eric. "Simulation numérique des écoulements unidimensionnels instationnaires avec autovaporisation." Phd thesis, Université Paris XII Val de Marne, 2000. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01026372.

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Abstract:

Afin d'étudier le comportement des organes de robinetterie, notamment des soupapes de sûreté à ressort, en conditions accidentelles, on s'est intéressé à la simulation des écoulements avec autovaporisation. Ces écoulements diphasiques sont susceptibles d'être rencontrés dans toute installation industrielle utilisant des liquides sous pression. Dans le cas de l'ouverture d'une soupape, la dynamique du clapet est particulièrement sensible aux variations de la pression sous celui-ci. Il est donc indispensable de pouvoir simuler précisément des transitoires très rapides. Cette recherche a été menée selon deux axes : 1°) La modélisation physique du mécanisme de vaporisation par dépressurisation. 2°) La simulation numérique des modèles dans le cas d'écoulements fortement instationnaires. D'un point de vue physique, deux modèles d'autovaporisation ont été étudiés ; le modèle homogène relaxé (HRM), proposé par Bilicki et al., et le modèle développé par Jones et al.. Ils supposent tous les deux l'égalité des pressions et des vitesses dans les phases liquide et gazeuse, et que la vapeur apparaît dans les conditions de saturation. Une comparaison des résultats de ces modèles a été effectuée dans le cas d'écoulements stationnaires, en s'appuyant sur les données expérimentales mesurées sur la boucle Super Moby-Dick du Commissariat à l'Energie Atomique (CEA) de Grenoble. Concernant l'aspect numérique, Il est à noter que les systèmes d'équations obtenus sont inconditionnellement hyperboliques, mais non conservatifs dans le cas unidimensionnel, à cause de la présence des termes de variation de la section en espace et en temps. Des schémas numériques de type Volumes Finis ont donc été développés pour prendre en compte la présence de termes sources raides, et l'utilisation de lois d'état complexes pour des fluides réels. Une attention particulière a été portée sur le calcul des conditions aux limites. Trois schémas numériques ont été testés, VFROE en variables non conservatives, le schéma de Rusanov, et une version modifiée du schéma de Roe. Une étude comparative détaillée des performances de chaque schéma a été menée pour des écoulements instationnaires et stationnaires gazeux, liquides et diphasiques. Elle met en évidence que le schéma VFROE-ncv est le plus précis, et que le schéma de Rusanov est le plus robuste. Une stratégie combinant ces deux schémas est donc envisagée.

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Ersoy, Mehmet. "Modélisation, analyse mathématique et numérique de divers écoulements compressibles ou incompressibles en couche mince." Phd thesis, Chambéry, 2010. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00529392.

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Abstract:

Dans la première partie, on dérive formellement les équations \PFS (\textbf{P}ressurised and \textbf{F}ree \textbf{S}urface) pour les écoulements mixtes en conduite fermée avec variation de géométrie. On écrit l'approximation de ces équations à l'aide d'un solveur VFRoe et d'un solveur cinétique en décentrant les termes sources aux interfaces. En particulier, on propose le décentrement d'un terme de friction, donnée par la loi de Manning-Strickler, en introduisant la notion de \emph{pente dynamique}. Enfin, on construit un schéma bien équilibré préservant les états stationnaires au repos en définissant une matrice à profil stationnaire conçue pour le schéma VFRoe. Suivant cette idée, on construit, en toute généralité, un schéma bien équilibré préservant tous les états stationnaires. Pour traiter les points de transitions (i.e. le changement de type d'écoulement surface libre vers charge et vice et versa), on étend la méthode des \og ondes fantômes\fg~ dans ce contexte et on propose un traitement complètement cinétique. Dans la deuxième partie, on étudie des équations primitives compressibles simplifiées dans le cadre de la modélisation de la dynamique de l'atmosphère. En particulier, on obtient un résultat d'existence de solutions faibles globales en temps en dimension $2$ d'espace. On établit également un résultat de stabilité de solutions faibles pour le modèle en dimension $3$ d'espace. À cet égard, on introduit un changement de variables convenable qui permet de transformer les équations initiales en un modèle plus simple à étudier. Dans la troisième et dernière partie, on présente une courte introduction à la cavitation. En particulier, on rappelle les différents types de cavitation et les modèles mathématiques de Rayleigh-Plesset pour l'étude d'une bulle isolée et un modèle de mélange plus complexe. En vue de modéliser la cavitation dans les conduites fermées, on introduit un modèle à deux couches pour prendre en compte, dans un premier temps, l'effet d'une poche d'air comprimée par la surface libre et les bords de la conduite. En particulier, le système obtenu, à $4$ équations, est généralement non hyperbolique et ses valeurs propres ne sont pas calculables explicitement. On propose alors une approximation numérique basée sur un schéma cinétique mono-couche. Dans le dernier chapitre, on dérive formellement un modèle de transport de sédiments basé sur l'équation de Vlasov couplée à des équations de Navier-Stokes compressibles avec un tenseur de viscosité anisotrope. Ce modèle est ensuite obtenu par le biais de deux analyses asymptotiques.

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Yousef, Soleiman. "Etude d'estimations d'erreur a posteriori et d'adaptivité basée sur des critères d'arrêt et raffinement de maillages pour des problèmes d'écoulements multiphasiques et thermiques. Application aux procédés de récupération assistée d'huile." Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00918782.

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Abstract:

L'objectif de cette thèse est l'analyse d'erreur a posteriori et la proposition de stratégies d'adaptivité basées sur des critères d'arrêt et de raffinement local de maillage. Nous traitons une classe d'équations paraboliques dégénér ées multidimensionnelles modélisant des problèmes importants pour l'industrie. Au chapitre 1 nous considérons le problème de Stefan instationaire a deux phases qui modélise un processus de changement de phase régi par la loi de Fourier. Nous régularisons la relation entre l'enthalpie et la température et nous discrétisons le problème par la méthode d'Euler implicite en temps et un schéma numérique conforme en espace tel que les élément finis conformes, ou les volumes finis centrés aux sommets du maillage. Nous démontrons une borne supérieure de la norme duale du résidu, de l'erreur sur l'enthalpie dans L2(0; T;H-1) et de l'erreur sur la température dans L2(0; T;L2), par des estimateurs d'erreur entièrement calculables. Ces estimateurs comprennent : un estimateur associé à l'erreur de régularisation, un estimateur associé à l'erreur d'une méthode de linéarisation (par exemple, la méthode de Newton), un estimateur associé à l'erreur en temps et un estimateur associé à l'erreur du schéma en espace. Par conséquent, ces estimateurs permettent de formuler un algorithme adaptatif de résolution où les erreurs associées peuvent être équilibrées. Nous proposons également une stratégie de raffinement local de maillages. En fin, nous prouvons l'efficacité de nos estimations d'erreur a posteriori. Un test numérique illustre l'efficacité de nos estimateurs et la performance de l'algorithme adaptatif. En particulier, des indices d'efficacité proches de la valeur optimale de 1 sont obtenus. Au chapitre 2 nous développons des estimations d'erreur a posteriori pour l'écoulement de Darcy polyphasique et isothermique, décrit par un système couplé d'équations aux dérivées partielles non linéaires et d'équations algébriques non linéaires. Ce système est discrétisé en espace par une méthode de volume finis centrés par maille et la méthode d'Euler implicite en temps. Nous etablissons une borne supérieure d'une norme duale du résidu augmentée d'un terme qui tiens compte de la non-conformité des volumes finis par des estimateurs d'erreur a posteriori entièrement calculables. Dans ce chapitre, nous nous concentrons sur la formulation d'un critère d'arrêt de l'algorithme de linéarisation du problème discrète (tel que la méthode de Newton) avec un critère d'arrêt du solveur algébrique de résolution du système linéarité (par exemple la méthode GMRes), de sort que les contributions des estimateurs d'erreur correspondant n'affectent plus la somme globale des estimateurs d'erreur de manière significative. Nous appliquons notre analyse sur des exemples réalistes d'ingénierie de réservoir pour confirmer qu'en général notre ajustement des critères d'arrêt apporte une économie significative (jusqu'au un ordre de magnitude en termes du nombre total des itérations du solveur algébrique), déjà sur des maillages fixes, et ceci sans perte notable de précision. Au chapitre 3 nous complétons le modèle décrit au chapitre 2 en considérant une condition non-isothermique pour l'écoulement a fin de traiter le modèle général d'écoulement polyphasique thermique dans les milieux poreux. Pour ce problème, nous développons des estimateurs d'erreur analogues a ceux du chapitre 2 pour lesquels nous établissons une borne supérieure d'erreur entièrement calculable, pour une norme duale du résidu complétée par un terme d'évaluation de la non-conformité. Nous montrons ensuite comment estimer séparément chaque composante d'erreur, ce qui nous permet d'ajuster les critères d'arrêt et d'équilibrer les contributions des différents estimateurs d'erreur : erreur d'approximation en temps, erreur d'approximation en espace, erreur de linéarisation et erreur du solveur algébrique. Ce chapitre se termine par une application des estimateurs au modèle d'huile morte. La preuve de l'efficacité de notre estimation a postiriori est egalement fournie. Finalement, au chapitre 4 nous considérons les procédés de récupération assistée d'huile. Plus précisément, nous étudions une technique de récupération thermique d'huile de type huile morte par injection de vapeur destinée a augmenter la mobilité des hydrocarbures. Dans ce chapitre, nous appliquons l'analyse a posteriori des chapitres 2 et 3, nous proposons une formule de quadrature pour simplifier l'évaluation des estimateurs, nous proposons un algorithme adaptatif de raffinement de maillages en espace et en temps basé sur les estimateurs et nous illustrons pas des essais numériques sur des exemples réalistes la performance de cette stratégie de raffinement. Notamment, des gains significatifs sont réalisés en terme du nombre de mailles nécessaires pour la simulation sur des exemples en dimension trois.

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Dissertations / Theses on the topic 'Finite Volume Solver'

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