Dissertations / Theses: 'LBM (Méthode de Lattice Boltzmann)'

1

Wissocq, Gauthier. "Investigation of lattice Boltzmann methods for turbomachinery secondary air system simulations." Thesis, Aix-Marseille, 2019. http://www.theses.fr/2019AIXM0635.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

Ce manuscrit présente une étude du potentiel des méthodes lattice Boltzmann pour traiter des écoulements circulant dans les systèmes de refroidissement des turbomachines. La combinaison de phénomènes physiques complexes donne naissance à des structures instationnaires, non-axisymmétriques et de période a priori inconnue. Leur bonne modélisation représente un défi pour la simulation numérique en mécanique des fluides. Ce travail peut être divisé en trois sous-parties. Une étude physique des instabilités à l'origine des structures tourbillonnaires est d'abord effectuée par analyse de stabilité linéaire des écoulements. Ensuite, les méthodes lattice Boltzmann sont introduites et leurs problèmes de stabilités numériques sont étudiés via des analyses basées sur l'approche de von Neumann. Enfin, la méthode est évaluée sur des simulations académiques de complexité croissante représentatives des systèmes d'air secondaire, nécessitant des simulations à flux de chaleur conjugués
This thesis provides an investigation on the use of lattice Boltzmann methods to treat turbomachinery secondary cooling systel flows. The combination of complex physical phenomena (rotating environment with high temperature fluctuations) gives rise to unsteady, non-axisymmetric structures with a priori unknown periodicity. Their modelling, required for a correct heat transfer prediction, represents a challenge for numerical simulations in fluid mechanics. This work can be divided into three sub-sections. A physical study of the instabilities at the origin of unsteady structures is first carried out by analyzing the linear stability of the flows. Lattice Boltzmann methods are then introduced and their numerical stability issues are studied through analyses based on the von Neumann approach. Finally, the method is assessed on academic simulations of increasing complexity representative of secondary air systems, requiring conjugate heat transfer simulations

2

Cheylan, Isabelle. "Optimisation de forme avec la méthode adjointe appliquée aux équations de Lattice-Boltzmann en aérodynamique." Thesis, Aix-Marseille, 2019. http://www.theses.fr/2019AIXM0119.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

Cette thèse a pour objectif le développement d’un solveur adjoint dans ProLB, le logiciel d’aérodynamique basé sur la méthode de Lattice-Boltzmann utilisé chez Renault. Ce solveur adjoint permet de calculer les sensibilités surfaciques des efforts aérodynamiques sur un obstacle, typiquement un véhicule, par rapport à la forme de celui-ci. L’objectif final est de le déformer, par des techniques de morphing basées sur une méthode de descente du gradient à pas constant, afin de réduire sa traînée aérodynamique. Dans un premier temps, l’étude de cas 2D laminaires permet de détailler le développement du solveur adjoint étape par étape. Le choix de la formulation de la force de traînée est un point important. Une étude a montré qu’il est plus judicieux de calculer cette force dans le sillage de l’objet plutôt que sur l’objet lui-même. L’objectif étant de minimiser la force de traînée moyenne, il a été montré que le meilleur compromis entre l’effort de calcul et la précision des gradients est obtenu en moyennant en temps le champ direct instationnaire. Dans un second temps, l’étude de cas 3D turbulents à grandes échelles a permis de montrer que les algorithmes fonctionnant sur des cas 2D laminaires ne sont pas suffisamment stables pour être utilisés dans ce contexte beaucoup plus complexe. Des modifications ont donc été apportées au solveur adjoint afin de pouvoir l’utiliser dans un contexte industriel. Il permet d’obtenir une cartographie des sensibilités sur tout le véhicule dans un écoulement à Reynolds élevé. Une boucle d’optimisation complète a été réalisée, avec une étape de lissage des sensibilités, et a permis de réduire la force de traînée de 5%
This work aims at developing an adjoint solver in ProLB, the aerodynamic software based on the Lattice-Boltzmann method used by Renault. The adjoint solver makes it possible to calculate the surface sensitivities of the aerodynamic forces acting on an obstacle, such as a vehicle, with respect to its shape. The final purpose is to deform it, using morphing techniques based on a fixed step gradient descent method, in order to reduce its drag. First, the step by step development process of the adjoint solver is shown through 2D laminar test cases. The choice of the drag force expression is important because it has an impact on the complexity of the adjoint equations and on the gradient calculation. It is shown that calculating the drag force in the wake of the obstacle is more adequate than calculating it on the obstacle directly. The aim being to minimize the time-averaged drag force, it is demonstrated that the best trade-off between the gradients accuracy and the computation cost is obtained by time-averaging the unsteady direct field. Then, the study of 3D large-scale turbulent cases shows that the algorithms used for the 2D laminar cases are not stable enough to be used in this more complicated context. Changes have therefore been brought to the adjoint solver, in order to use it in an industrial context. Every assumption used for the development of the adjoint solver is justified and referenced. The adjoint solver is finally applied to an industrial test case. It gives a sensitivity map on a vehicle in a high Reynolds number flow. A complete optimization loop is performed, using a smoothing step on the sensitivities, and gives a 5% reduction of the drag force

3

Walther, Édouard. "Contribution de la Lattice Boltzmann Method à l’étude de l’enveloppe du bâtiment." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLN004/document.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

Les enjeux de réduction des consommations d’énergie, d’estimation de la durabilité ainsi que l’évolution des pratiques constructives et réglementaires génèrent une augmentation significative du niveau de détail exigé dans la simulation des phénomènes physiques du Génie Civil pour une prédiction fiable du comportement des ouvrages. Le bâtiment est le siège de phénomènes couplés multi-échelles, entre le microscopique (voire le nanoscopique) et le macroscopique, impliquant des études de couplages complexes entre matériaux, à l’instar des phénomènes de sorption-désorption qui influent sur la résistance mécanique, les transferts de masse, la conductivité, le stockage d’énergie ou la durabilité d’un ouvrage. Les méthodes numériques appliquées permettent de résoudre certains de ces problèmes en ayant recours aux techniques de calcul multi-grilles, de couplage multi-échelles ou de parallélisation massive afin de réduire substantiellement les temps de calcul. Dans le présent travail, qui traite de plusieurs simulations ayant trait à la physique du bâtiment, nous nous intéressons à la pertinence d’utilisation de la méthode "Lattice Boltzmann". Il s’agit d’une méthode numérique construite sur une grille – d’où l’appellation de lattice – dite "mésoscopique" qui, à partir d’un raisonnement de thermodynamique statistique sur le comportement d’un groupes de particules microscopiques de fluide, permet d’obtenir une extrapolation consistante vers son comportement macroscopique. Après une étude les avantages comparés de la méthode et sur le comportement oscillatoire qu'elle exhibe dans certaines configurations, on présente :- une application au calcul des propriétés diffusives homogénéisée des matériaux cimentaires en cours d'hydratation, par résolution sur le cluster du LMT.- une application à l'énergétique du bâtiment avec la comportement d'une paroi solaire dynamique, dont le calcul a été porté sur carte graphique afin d'en évaluer le potentiel
Reducing building energy consumption and estimating the durability of structures are ongoing challenges in the current regulatory framework and construction practice. They suppose a significant increase of the level of detail for simulating the physical phenomena of Civil Engineering to achieve a reliable prediction of structures.Building is the centre of multi-scale, coupled phenomena ranging from the micro (or even nano) to the macro-scale, thus implying complex couplings between materials such as sorption-desorption process which influences the intrinsic properties of matter such as mechanical resistance, mass transfer, thermal conductivity, energy storage or durability.Applied numerical methods allow for the resolution of some of these problems by using multi-grid computing, multi-scale coupling or massive parallelisation in order to substantially reduce the computing time.The present work is intended to evaluate the suitability of the “lattice Boltzmann method” applied to several applications in building physics. This numerical method, said to be “mesoscopic”, starts from the thermodynamic statistical behaviour of a group of fluid particles, mimicking the macroscopic behaviour thanks to a consistent extrapolation across the scales.After having studied the comparative advantages of the method and the oscillatory behaviour it displays under some circumstances, we present - An application to the diffusive properties of cementitious materials during hydration via numerical homogenization and cluster-computing numerical campaign - An application to building energy with the modeling of a solar active wall in forced convection simulated on a graphical processing unit

4

Rehhali, Khaoula. "Simulations de la convection naturelle couplée au rayonnement surfacique par la méthode de Boltzmann sur réseau : cas des chauffages variable et discret." Electronic Thesis or Diss., Amiens, 2019. http://www.theses.fr/2019AMIE0001.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une étude numérique visant à étudier les phénomènes de couplage de la convection naturelle et du rayonnement surfacique dans des cavités carrées dont les parois sont soumises à des chauffages discrets ou non-uniformes. En effet, la première étude réalisée s'intéresse à un problème de couplage convection-rayonnement dans une cavité carrée inclinée et remplie d'air, ayant d'un côté une paroi chauffée à une température constante et du côté opposé, une paroi chauffée linéairement. Les parois restantes sont considérées adiabatiques. Dans la seconde étude, la cavité a des parois verticales partiellement chauffées (symétriquement et asymétriquement), une paroi supérieure refroidie et une paroi inférieure adiabatique. L'objectif de ces études numériques réside dans l'analyse de l'effet du rayonnement surfacique et des différents paramètres gouvernants (mode de chauffage, nombre de Rayleigh, angle d'inclinaison, différence de température) sur la structure d'écoulement et le transfert de chaleur. Le second objectif de cette thèse consiste à tester la performance du schéma à temps de relaxation multiple (MRT) de la méthode Lattice Boltzmann (LBM) en présence du couplage convection-rayonnement. Les résultats de ce travail ont révélé que les paramètres de contrôle considérés ont un effet important sur la structure de l'écoulement et le transfert de chaleur à travers la cavité
In this thesis, a numerical study is carried out on the coupling phenomena between natural convection and surface radiation in square cavities whose walls are subjected to discrete or non-uniform temperatures. Indeed, the first study carried out is concerned with a problem of convection-radiation coupling in a square cavity inclined and filled with air, having on one side a wall heated at a constant temperature and on the opposite side, a wall heated linearly. The remaining walls are considered adiabatic. In the second study, the cavity has partially heated vertical walls (symmetrically and asymmetrically), a cooled upper wall and an adiabatic bottom wall. The objective of these numerical studies is to analyze the effect of surface radiation and the different governing parameters (heating mode, Rayleigh number, angle of inclination, temperature difference) on the flow structure and the heat transfer. The second objective of this thesis is to test the performance of the multiple relaxation time (MRT) scheme of the Lattice-Boltzmann method (LBM) in the presence of convection radiation coupling. The results of this study revealed that the considered governing parameters have a significant effect on the flow structure and heat transfer through the cavity

5

Cao, Weijin. "Investigation of the applicability of the lattice Boltzmann method to free-surface hydrodynamic problems in marine engineering." Thesis, Ecole centrale de Nantes, 2019. http://www.theses.fr/2019ECDN0011/document.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

La simulation numérique des écoulements à surface libre pour les applications du génie maritime est un problème qui présente de grands défis dans le domaine de la dynamique des fluides numérique (CFD). On propose dans cette thèse une solution, qui consiste à utiliser la méthode de Boltzmann sur réseau régularisée (RLBM) avec un modèle de surface libre basé sur le volume-de-fluide (VOF), et on étudie sa faisabilité et sa fiabilité. Les connaissances théoriques de la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) sont présentées dans un premier temps, sur la base d'un développement polynomial d'Hermite et d'une analyse de Chapman-Enskog. De cette perspective, l’idée de la RLBM se résume comme étant la régularisation d'Hermite des fonctions de distribution. Dans les cas tests suivants du vortex de Taylor-Green et de la cavité entraînée, il est vérifié que la RLBM posse possède une précision de second ordre et une stabilité améliorée. On a alors ensuite implémenté le modèle de surface libre dans la RLBM. Sur la simulation d'une onde de gravité visqueuse stationnaire et d'un écoulement de dambreak, il est montré que la régularisation stabilise fortement le calcul en réduisant les oscillations de pression, ce qui est très bénéfique pour obtenir des écoulements à surface libre précis, et que la RLBM n'introduit pas non plus de dissipation numérique supplémentaire. De plus, une nouvelle méthode de reconstruction des fonctions de distribution à la surface libre est proposée. Le modèle proposé est ainsi plus consistent avec la RLBM, ce qui offre un moyen efficace pour simuler des écoulements à surface libre à un grand nombre de Reynolds en génie maritime
The numerical simulation of the freesurface flows for marine engineering applications is a very challenging issue in the field of computational fluid dynamics (CFD). In this thesis, we propose a solution, which is to use the regularized lattice Boltzmann method (RLBM) with a volume-of-fluid (VOF) based single-phase free-surface lattice Boltzmann (LB) model, and we investigate its feasibility and its reliability. The theoretical insights of the lattice Boltzmann method (LBM) are given at first, through the Hermite expansion and the Chapman-Enskog analysis. From this perspective, the idea of the RLBM is summarized as the Hermite regularization of the distribution functions. On the test-cases of the Taylor-Green vortex and the lid-driven cavity flow, the RLBM is verified to have a 2nd-order accuracy and an improved stability. The adopted free-surface model is then implemented into the RLBM and validated through simulating a viscous standing wave and a dambreak flow problems. It is shown that the regularization not only strongly stabilizes the calculation by reducing spurious pressure oscillations, which is very beneficial for obtaining accurate free-surface motions, but also does not introduce any extra numerical dissipation. Furthermore, a new reconstruction method for the distribution functions at the free-surface is proposed. The present model is more consistent with the RLBM, which provides an effective way for simulating high-Reynoldsnumber free-surface flows in marine engineering

6

Abassi, Wafik. "Investigations expérimentales et modélisations numériques par la méthode de Lattice Boltzmann (LBM) pour l'étude des transferts dans les écoulements tourbillonnaires." Nantes, 2014. https://archive.bu.univ-nantes.fr/pollux/show/show?id=caaf67b3-c66e-4925-a786-000eb6287dea.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

Ce travail numérique et expérimental, porte sur l’étude des instabilités et sur les transferts dans deux configurations d’écoulements tourbillonnaires : Le sillage derrière un obstacle et l’écoulement de Couette-Taylor. Une simulation numérique, basée sur la méthode de « Lattice Boltzmann » (LBM), a été développée pour étudier la dynamique de l’écoulement confiné autour d’un obstacle dans une configuration géométrique 2D et 3D. Une extension de ce code a été effectuée pour simuler le transfert de masse pariétal. Par la suite, des investigations expérimentales sur les mécanismes de transferts dans le sillage d’un obstacle et dans un écoulement de Couette-Taylor ont été réalisées. Les résultats obtenus ont été comparés à ceux de la simulation numérique, validant ainsi notre code développé et mettant en valeur la performance de la méthode LBM. Des résultats expérimentaux qualitatifs (visualisations) et quantitatifs (PIV et polarographie) ont été mis en place pour caractériser les écoulements tourbillonnaires étudiés. Un posttraitement des mesures réalisées par PIV, utilisant des critères de détection et la POD, a été développé. La méthode polarographique, au moyen de sondes simples et une tri-segmentée, a été utilisée pour la détermination du gradient pariétal de vitesse. Une synchronisation entre les mesures obtenues par PIV et celles déterminées par la polarographie, a permis de mieux comprendre les interactions spatiotemporelles entre les tourbillons et les parois
The numerical and experimental work focuses on the study of instabilities and transfers in two configurations of vortex flows: The wake behind an obstacle and Taylor-Couette flow. A numerical simulation based on the method of "Lattice Boltzmann" (LBM) has been developed to study the dynamics of the confined flow around an obstacle in a 2D and 3D geometry. An extension of this code was performed to enable the wall shear stress simulations (mass transfer). Thereafter, experimental investigations of the mass transfer mechanisms in the wake of an obstacle and in a Taylor-Couette flow were initiated. The results were compared to that obtained by simulation (LBM). The main objective is to check the validity of the developed code and to highlight the LBM performances. Experimental results, qualitative (visualizations) and quantitative (PIV and polarography) were performed to characterize the vortex flows studied. A post-processing of PIV measurements, using vortex detection criteria and POD method were has developed. The polarographic technique, through single probes and one tri-segmented sensor, has contributed to the determination of the wall shear stress. Synchronization between PIV measurements and polarography method, was carried out to understand the spatiotemporal interactions between vortices and the walls

7

Stockinger, Claudius. "Study and analysis οf Sοοt Filter Regeneratiοn by using the Lattice Bοltzmann Μethοd." Electronic Thesis or Diss., Normandie, 2024. http://www.theses.fr/2024NORMIR07.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

La maîtrise des émissions de noir de carbone est une tâche importante dans de nombreux domaines d'application, le secteur des transports étant l'un des domaines les plus importants. Les moteurs diesel, encore largement utilisés dans le monde entier, sont l'une des principales sources d'émissions anthropiques de noir de carbone. Afin de contrer l'effet néfaste du noir de carbone sur la santé humaine, le traitement des gaz d'échappement est au centre de la recherche depuis de nombreuses décennies. Les filtres à suie de pointe utilisent une structure en nid d'abeille en céramique, agissant comme des filtres à flux mur. Ces filtres nécessitent une régénération périodique une fois qu'une contre-pression de filtre critique est atteinte. La régénération est effectuée soit sous forme de régénération active à des températures élevées (>600 °C), soit en continu, sous forme de régénération passive à des températures à partir de 300 °C. La température nécessaire des gaz d'échappement pour la régénération active entraîne une pénalité en carburant, rendant le contrôle précis du processus de régénération impératif. Des travaux antérieurs ont suggéré que la morphologie mésoscopique de la suie et son évolution pendant la combustion de la suie influencent la réactivité, affectant ainsi le processus de régénération. Par conséquent, le contrôle du système de régénération nécessite une connaissance précise des phénomènes physiques et chimiques en jeu, nécessitant des simulations du processus de régénération. Dans cette thèse, un cadre de simulation pour modéliser l'écoulement de gaz, composé des différentes espèces réactives, en tenant compte des interactions solide-gaz, est créé. De plus, le transfert de chaleur conjugué, les réactions hétérogènes et la libération de chaleur de réaction à l'interface entre les phases solide et gazeuse sont traités. À cette fin, la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM), en raison de sa nature mésoscopique, est choisie comme un excellent outil pour modéliser la combustion hétérogène à l'échelle des pores. Dans cette thèse, un cadre LBM est créé et des méthodes appropriées pour modéliser la combustion de la suie sont choisies et largement validées. Une procédure d'utilisation des données de microscopie électronique à balayage par faisceau ionique focalisé (FIB-SEM) de véritables échantillons de suie pour la simulation de combustion est mise en œuvre. De plus, les régimes de combustion sont analysés en fonction de la variation du nombre de Péclet, du nombre de Damköhler et de la fraction molaire d'oxygène dans le flux gazeux d'entrée. Des simulations avec des géométries de suie réalistes sont réalisées et les résultats sont comparés avec des résultats expérimentaux. Il est constaté que l'évolution de la surface réactive spécifique, telle que reçue des simulations LBM, n'est pas comparable aux résultats expérimentaux. L'analyse par microscopie électronique à transmission (TEM) et les spectres Raman de la suie avant et après les expériences de combustion ont révélé que la combustion affecte les particules primaires à l'échelle nanométrique. Pour cette raison, un modèle séparé pour décrire les particules primaires hétérogènes et leur combustion a été créé. Ensuite, les premières simulations avec couplage d'échelle ont été menées, en reliant les simulations LBM mésoscopiques avec la conception des particules primaires à l'échelle nanométrique. Il est démontré qu'une augmentation plus réaliste de la surface spécifique peut être obtenue dans les simulations en couplant le modèle LBM mésoscopique avec un modèle de particules primaires à l'échelle nanométrique
The control of the emission of carbon black is an important task in many fields of application, with the transport sector being one of the most important domains. Diesel engines, still being extensively used worldwide, are one of the main contributors to the anthropogenic emission of carbon black. In order to counteract the detrimental effect of carbon black on human health, exhaust gas treatment has been the focal point of research for many decades.State of the art soot filters use a ceramic honey-comb structure, acting as wall flow filters. These filters require periodic regeneration once a critical filter back-pressure is reached. Regeneration is conduced either as active regeneration at elevated temperatures (>600 °C) or continuously, as passive regeneration at temperatures starting from 300 °C. The necessary exhaust gas temperature of active regeneration results in a fuel penalty, making the precise control of the regeneration process imperative. Previous works suggested that the mesoscopic morphology of soot and its evolution during soot combustion influence the reactivity, thus affecting the regeneration process. Hence, the control of the regeneration system requires precise knowledge of the physical and chemical phenomena at hand, necessitating simulations of the regeneration process.In this thesis, a simulation framework to model gas flow, consisting of the different reactive species, taking into account solid-gas interactions, is created. Furthermore, conjugate heat transfer, heterogeneous reactions and the release of reaction heat at the interface between the solid and gas phases is treated. For this purpose, the lattice Boltzmann method (LBM), due to its mesoscopic nature, is chosen as an excellent tool to model the heterogeneous combustion on the pore scale. Within this thesis, a LBM framework is created and appropriate methods to model soot combustion are chosen and extensively validated. A procedure to use focused ion beam scanning electron microscopy (FIB-SEM) data of realistic soot samples for the combustion simulation is implemented. Furthermore, the combustion regimes are analysed based on variation of Péclet number, Damköhler number, and oxygen mass fraction in the inlet gas stream. Simulations with realistic soot geometries are performed and the results are compared with experimental results. It is found that the evolution of the specific reactive surface, as received from LBM simulations, is not comparable to the experimental results. Transmission electron microscopy (TEM) analysis and Raman spectra of the soot before and after combustion experiments revealed that combustion affects the primary particles on the nano-scale. For this reason, a separate model to describe the heterogeneous primary particles and their combustion was created. Subsequently, first simulations with scale-coupling were conducted, by connecting the mesoscopic LBM simulations with the primary particle design on the nano-scale. It is shown that a more realistic increase in specific surface could be achieved in simulations by coupling the mesoscopic LBM model with a nano-scale primary particle model

8

Tran, Duc Kien. "Modélisation numérique discrète de l'érosion interne par renard hydraulique dans les barrages ou digues en terre." Thesis, Lyon, 2016. http://www.theses.fr/2016LYSEC055/document.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

Le travail présenté dans ce mémoire de thèse porte sur la modélisation discrète de l’évolution régressive du front d’un conduit d’érosion qui peut se produire dans les barrages ou digues en remblai. Des outils numériques ont été développés en se basant sur le couplage entre la méthode des éléments discrets (DEM) et la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) pour la description, respectivement, des phases solide et fluide. L’implémentation de la méthode DEM suit une approche standard de type dynamique moléculaire (DM) et les interactions intergranulaires sont modélisées par des contacts unilatéraux visco-élastiques frottants ou bilatéraux (ponts solides) viscoélastiques, afin de permettre la modélisation d’un sol légèrement cohésif. La méthode LBM est implémentée ici avec des temps de relaxation multiples (MRT) et une condition de rebondissement interpolée pour les frontières solides en mouvement, afin d’améliorer la stabilité numérique des calculs. Le schéma du couplage entre les deux méthodes, ainsi que les critères pour le choix des paramètres numériques des deux méthodes. Pour étudier le phénomène visé, un échantillon représentatif de sol granulaire situé au front d’un conduit d’érosion est d’abord assemblé par une procédure de préparation “à sec”, puis testé dans des conditions saturées sous un chargement hydraulique monotone croissant. L’érosion régressive se produit par amas de grains au niveau du front d’érosion ayant subi au préalable une dégradation due à de nombreuses ruptures de ponts solides en traction. L’autre phénomène important observé est la présence d’arcs associés a` des chaines de forces en compression qui parviennent à maintenir parfois totalement, parfois partiellement l’intégrité du matériau non érodé
The work reported in this thesis consists in a discrete modelling of the backward front propagation of an erosion pipe, as can take place in embankment dams or dikes. Some numerical tools have been developed to this end, based on the coupling between the Discrete Element Method (DEM) and the Lattice Boltzmann Method (LBM) for the representation of the solid and uid phases, respectively. The implementation of DEM follows a standard molecular dynamics approach and the interaction among grains are regulated by unilteral frictional visco-elastic and breakable visco-elastic bonds, in order to take into account a slightly cohesive soil behaviour. The LBM was implemented according to the Multiple Relaxation Time (MRT) scheme along with an interpolated non-slip conditions for moving boundaries, in order to improve the numerical stability of the calculations. The coupling scheme is described along with the criteria for the numerical parameters of the two methods. A representative specimen of a granular soil located at the front of an erosion pipe is first assembled by a \dry" preparation precedure and then tested under fully-saturated conditions and increasing hydraulic load over time. Backward erosion is takes place in the form of clusters of grain being eroded at the erosion front after a degradation of the material due to the breakage of tensile bonds. The other interesting feature that was observed is the creation of arches of compressive force chains. These arches enabled the specimen to maintain a stable or metastable configuration under the increasing hydraulic load

9

Gendre, Félix. "Développement de méthodes de Boltzmann sur réseau en maillages non-uniformes pour l'aéroacoustique automobile." Thesis, Aix-Marseille, 2018. http://www.theses.fr/2018AIXM0196/document.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

L’objectif de ce travail est d’étudier les capacités de la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) dans un cadre numériquement contraignant : celui de la simulation aéroacoustique en maillage non-uniforme, à très haut nombre de Reynolds et à nombre de Mach non négligeable (Ma > 0.1), appliquée à l’automobile. La problématique industrielle est celle du calcul du bruit intérieur d’origine aérodynamique, dont le calcul du champ de pression pariétal instationnaire sur le vitrage conducteur est la première étape décisive. Il a été constaté qu’un manque de précision sur la faible part acoustique du champ de pression total sur le vitrage, provenant très probablement d’erreurs au niveau des transitions de résolution du maillage, était la cause d’une surestimation du bruit intérieur. Nous présentons d’abord une construction cohérente et unifiée de la méthode de Boltzmann sur réseau à partir de l’équation de Boltzmann, dans un cadre athermal faiblement compressible. Nous étudions ensuite en détail les propriétés aéroacoustiques de la LBM, en parcourant toutes les grandes familles d’opérateurs de collision de la littérature. Une variante de modèle à temps de relaxation multiples, utilisable pour l’aéroacoustique, est présentée et testée. Un modèle alternatif simplifié de filtrage sélectif, rapide et compact, est développé et validé. La problématique des maillages non-uniformes est abordée. Un recensement exhaustif des études LBM menées dans ce cadre dans la littérature montre qu’aucune ne correspond à nos contraintes. Des algorithmes alternatifs aux transitions sont développés. Enfin, des applications industrielles sont réalisées à l’aide des modèles développés dans le mémoire
The main goal of this work is to study the capacities of the Lattice Boltzmann Method in a constrained numerical framework : that of numerical simulation in automotive aeroacoustics with non-uniform meshes, at high Reynolds number and non egligible Mach number (Ma > 0.1). The industrial problem is the computation of the interior aerodynamic noise, which includes as its first decisive step the computation of the unsteady wall pressure field on the car windows. It was observed that a lack of precision on the weak acoustic part of the total pressure field on the driver-side window, which is most probably due to errors at mesh refinement interfaces, caused an overestimation of the interior noise. We first present a coherent and unified construction of the Lattice BoltzmannMethod from the Boltzmann equation, in an athermal weakly compressible framework. Then, we study in details the aeroacoustic properties of the LBM by reviewingall the main families of collisional operators that exist in the literature. A variant of multiple relaxation time operator that can be used for aeroacoustics is presented and tested. A simplified alternative selective filter, fast and compact, is developped and numerically validated. The problem of non-uniform meshes is discussed. An exhaustive review of the LBM studies that have been carried out within that framework shows that none of them corresponds to our constraints. Alternative transition nodes algorithms are developed. Finally, all the developed models of this work are applied to industrial cases

10

Maquignon, Nicolas. "Vers un modèle multiphases et multicomposants (MPMC) de type Lattice Boltzmann Method (LBM) pour la simulation dynamique d'un fluide cyogénique dans l'eau." Thesis, Littoral, 2015. http://www.theses.fr/2015DUNK0426/document.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

Au cours de cette thèse, un modèle LBM MPMC avec échanges thermiques est développé. Des tests d'assimilation de données et des mesures par flot optique sont réalisés en vue d'une validation. Le cadre d'application de cette thèse est celui du mélange d'un fluide cryogénique avec l'eau. Dans une première partie, un travail bibliographique rappelant l'équation de Boltzmann, ses diverses hypothèses et simplifications, ainsi que l'aspect algorithmique de la LBM sont exposés. Une comparaison entre opérateur de collision SRT et MRT est réalisée, et une simulation de phénomènes turbulents à différents nombres de Reynolds est étudiée, notamment avec le benchmark de l'instabilité de Von Karman. Dans une seconde partie, le modèle MPMC de Shan & Cehn est rappelé puis étendu au cas où les échanges thermiques entre composants sont présents. Des validations quantitatives sont faites, notamment avec le benchmark du fluide de Couette à deux phases ou à deux composants, du test de cohérence vis-à-vis de la loi de Laplace, ou encore par rapport à un benchmark faisant intervenir la conduction thermique. Des tests qualitatifs de condensation en milieu multicomposants sont proposés pour valider l'aspect des échanges thermiques entre composants en présence d'une transition de phase. Dans la troisième partie de cette thèse, une méthode de validation par assimilation de données est introduite, avec le filtrage de Kalman d'ensemble. Un test d'estimation d'état d'un fluide di-phasique est réalisé, et la compatibilité du filtrage de Kalman d'ensemble par rapport au modèle LBMMPMC est évaluée. Pour la validation du comportement du modèle d'un point de vue de la présence de deux composants, un fluide de substitution (non-cryogénique) au GNL, le butane, a été choisi pour permettre des observations dans des conditions expérimentales accessibles. Puis, une plateforme expérimentale d'injection de butane liquide dans une colonne d'eau sous pression est présentée. Des images d'ombroscopie issues d'expériences de remontée de butane liquide dans de l'eau sont exposées et un algorithme de calcul de flot optique est appliqué à ces images. Une évaluation qualitative des champs de vitesses obtenus par application de cet algorithme est réalisée
In this thesis, a LBM MPMC model with heat exchange is developed. Data assimilation tests and optical flow measurements are made in order to validate the model. The application context of this thesis is the mixture of a cryogenic fluid with water. In the first part, a bibliographical work reminding the Boltzmann equation and its various assumptions and simplifications, as well as the algorithmic aspect of the LBM are exposed. A comparison between SRT and MRT collision operator is performed, and a simulation of turbulent phenomena at different Reynolds numbers is studied, especially with the benchmark of the instability from Von Karman. In the second part, the MPMC model from Shan & Chen is reminded and extended to the case of the inter-component heat exchanges. Quantitative validations are made, especially with the benchmark of a two-phase or two-component Couette fluid. Consistency is tested against Laplace's law rule, or against a benchmark involving heat conduction. Qualitative testing of condensations in a multi-component medium are proposed to validate the heat exchange between components in the presence of a phase transition. In the third part of this thesis, a validation method for data assimilation is introduced, with the ensemble Kalman filter. A state estimation test of a bi-phase fluid is realized, and compatibility of the ensemble Kalman filtering to the LBM MPMC model is assessed. For validation of the behavior of the model for a two-component case, a substitution fluid (non-cryogenic) for LNG, butane, was selected to permit observations in experimental conditions which are accessible. Then, an experimental platform of injection of liquid butane in a pressurised water column is presented. Shadowgraph images from liquid butane experiments in water are exposed and an optical flow calculation algorithm is applied to these images. A qualitative assessment of the velocity field obtaines by application of this algorithm is performed

11

Abbaspour, Nima. "Approche numérique et expérimentale des écoulements au sein des piles à combustible : innovations liées aux conditions aux limites." Thesis, Avignon, 2020. http://www.theses.fr/2020AVIG0507.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

La présente thèse fait partie d’un projet destiné à améliorer l’eﬃcacité et la stabilité des piles à combustible à membrane à échange de protons. Elle présente des expériences et des simulations visant à faire évoluer en ce sens la géométrie de canaux véhiculant des ﬂuides à travers les plaques bipolaires à l’anode et à la cathode. En eﬀet, l’electricité produite dépend en particulier d’écoulements diphasiques couplés avec divers phénomènes physiques et très impactés par les forces interfaciales sur les surfaces solides qui les limitent. Nous avons utilisé des codes indutriels ainsi que la méthode des réseaux de Boltzmann pour simuler les sytèmes complexes en jeu. Le chapitre 1 rappelle le principe de base des piles à combustible ainsi que le rôle des ﬂuides s’écoulant dans les canaux des plaques bipolaires. En partant de piles standard,nousjetonslesbasesdesmodiﬁcationsétudiéesici. Lechapitre2détailleunmodèle classique du fonctionnement des piles à combustible en régime stationnaire, supposant des écoulements monophasiques dans les canaux. Une expérience réalisée sur une unique pile de ce type valide la formulation mathématique du modèle ainsi que l’outil numérique (Comsol). La simulation met en évidence l’hétérogénéité des ﬂux dans les diﬀérents canaux, alors qu’on connait l’inﬂuence négative de cette hétérogéneité. Cependant le modèle utilisé ne tient pas compte de la possibilité d’avoir de l’eau en phase liquide (et pas uniquement gaseuze) dans les écoulements. Pour y remédier, le chaptitre 3 décrit un code LBM fondé sur le modèle du gradient de couleur pour les écoulements diphasiques. Ce code est validé à partir d’une expérience réalisée sur une jonction en T, un dispositif applicable bien au delà du contextedespilesàcombustible. Lechapitre4restedanslecadred’écoulementsstationnaires gazeux dans des canaux parallèles, mais cependant diﬀérents de ceux de piles standard. Un algorithme uniformise automatiquement les écoulements des diﬀérents canaux en modiﬁant leur géométrie, dans certaines limites cependant. Il fait pour cela varier des paramètres comme le nombere de canaux et leurs largeurs. Les dispositifs répartissant ou collectant le ﬂuide entre les diﬀérents canaux à l’entrée ou à la sortie inﬂuencent aussi le résultat. Nous proposons des géométries uniformisant les écoulements des divers canaux. Hélas le résultat n’est pas satisfaisant en terles de production électrique . Le chapitre 5 décrit les déplacements dirigés et spontanés de gouttes d’eau sur des structures métalliques pourvues de canaux d’axes parallèles, mais dont la forme rappelle des nageoires: une expérience met en évidence une direction nettementprivilégiée pour l’étalement des gouttes. Les simulations tri-dimensionnelles en LBM et par la méthode du volume de ﬂuide corroborent la tendance observée tout en révélant à plus petite échelle des détails qui échappent aux visualisations mises en oeuvre: l’eﬀet des forces capillaires est clairement dominant, et s’exerce dans des régions bien précises du dispositif, alors que dans d’autres régions l’inertie est essentielle aussi. Les simulations d’écoulements diphasiques décrits aux chapitres 3 et 5 représentent les résultats principaux
This thesis is part of a wider project that aims at improving proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) eﬃciency and stability. Our contribution aims at improving the geometry and structure of channels in anode and cathode bipolar plates (BPP) using experiments and simulations. The operation of a PEMFC involves multiphase ﬂows and multiphysics phenomenon such as reactant concentration and electron exchange between the components. To simulate such a complex system employed industrial codes as well as Lattice Boltzmann Method. Chapter 1 reminds the basic principle of PEM fuel cell and the role of the ﬂuids that ﬂow through BPP channels. We describe a standard version of the latter and the modiﬁcations which we consider here. Chapter 2 details a classical model that describes PEM fuel cell operation in steady regime and assumes single phase ﬂows in channels. The underlying equations and their simulation (using COMSOL) are validated by an experiment performed on standard single cell. The simulation evidences channels exhibiting unequal ﬂuid ﬂuxes while the literature points the negative eﬀects of such heterogeneity. Since the used models disregards the possibility of having water in two phases, Chapter 3 describes a LBMcolorgradientcodefortwophaseﬂows. Wevalidateitagainstanexperimentperformed of a T-junction, a device that has applications beyond fuel cell. Chapter 4, diﬀerently, is devoted to steady gas ﬂows in parallel channels that diﬀer from standard fuel cell. An algorithm automatically homogenizes the ﬂuid ﬂow by modifying domain geometry within deﬁnite limits. It applies to diverse settings, and manages parallel channels by varying parameters as channel number and widths. However, the distributing channels that span the ﬂuid between channels at BPP inlet and recollect it at outlet also matter. The author thus proposes designs that equalize channel ﬂows. The author creates a new design to study the manufacturing feasibility of BPP. Chapter 5 describes water drop directional spreading on metallic structures decorated with ﬁn shaped channels of parallel axis: experiments reveal almost total spreading only in one direction. Three dimensional LBM and Volume of Fluid simulationsretrievetheobservedtrendandcapturesmallerscaledetailssuggestingsubsetsof the ﬂuid domain where capillary forces or inertia dominate. Most signiﬁcant results are two phase ﬂows simulations. They describe the diﬀerent regimes of ﬁlms or drops at the outlet of a T-junction whose other branches are fed with immiscible wetting and non-wetting ﬂuids. Moreover, they describe how water drops spread on a microscopic relief which results into skewed capillary force

12

Nguyen, Khac Lan. "Modèles de champ de phase et modèles Lattice Boltzmann pour la segmentation 3D de tumeurs en imagerie ultrasons hautes fréquences." Thesis, La Rochelle, 2019. http://www.theses.fr/2019LAROS011.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

Nous nous intéressons dans cette thèse au problème de la segmentation 3D de tumeurs de la peau dans des images ultrasons hautes fréquences. Nous nous concentrons essentiellement sur deux questions : comment estimer au mieux le volume des tumeurs (en accord avec les références produites par des dermatologues) et comment produire des algorithmes dont les temps de calcul se rapprochent du temps réel ? Dans un premier temps, nous décrivons un nouvel modèle, log-likelihood Cahn-Hilliard (LLCH), basé sur une formulation variationnelle couplant un terme d’attache aux données calculé à partir d’estimations non paramétriques et un terme de régularisation issu d’une dynamique de transitions de phase (équation de réaction diffusion d’Allen Cahn). Ce modèle est testé avec une première implémentation multigrille par solutions exactes calculées grâce à un splitting de Lie. Dans un second temps, nous nous intéressons à la possibilité d’implémenter le modèle LLCH par des méthodes Lattice Boltzmann (LBM). La dynamique sous-jacente n’étant pas de nature physique, cette implémentation n’est pas directe et est sujette à des problèmes d’instabilité. Nous montrons que, compte tenu des spécificités du terme d’attache aux données, les schémas BGK, à simple temps de relaxation, ne permettent pas d’assurer une stabilité suffisante. Nous avons alors recours à des schémas MRT, à temps de relaxation multiples, qui permettent par l’introduction de paramètres additionnels de gagner en stabilité. L’ajustement des paramètres dits quartiques permet d’obtenir des schémas exacts à l’ordre 4 et numériquement stables. Les tests réalisés sur une base de données cliniques avec une vérité terrain fournie par des dermatologues montrent que les résultats obtenus grâce aux deux implémentations proposées sont bien meilleurs que ceux obtenus par les méthodes level sets et que notre modèle est une bonne alternative pour pallier le problème de la sous-estimation du volume tumoral. Les temps de calcul, pour des images 3D d’environ 70 millions de voxels, sont très courts et tout-à-fait adaptés pour une utilisation pratique en milieu médical
In this thesis, we are interested in the problem of 3D segmentation of skin tumors in high frequency ultrasound images. We focus mainly on two questions: how best to estimate the volume of tumors (in accordance with references produced by dermatologists) and how to produce algorithms whose computation times are close to real time? First, we describe a new model, log-likelihood Cahn-Hilliard (LLCH), based on a variational formulation coupling a data attachment term computed from non-parametric estimates and a regularization term derived from a phase transition dynamic (Allen Cahn reaction diffusion equation). This model is tested with a first multigrid implementation using exact solutions calculated with a Lie splitting. Secondly, we are interested in the possibility of implementing the LLCH model using lattice Boltzmann methods (LBM). The underlying dynamic is not physical in nature, so this implementation is not direct and is subject to instability problems. We show that, due to the specificities of the data attachment term, the BGK schemes, with simple relaxation time, do not ensure sufficient stability. We then use MRT schemes, with multiple relaxation times, which allow us to gain stability by introducing additional parameters. The adjustment of the so-called quartic parameters makes it possible to obtain fourth-order exact schemes that are numerically stable. Tests performed on a clinical database with ground truth provided by dermatologists show that the results obtained with the two proposed implementations are much better than those obtained with level sets methods and that our model is a good alternative to overcome the problem of underestimation of tumor volume. The computation times, for 3D images of about 70 million voxels, are very short and well adapted for practical use in medical environments

13

Mercier, Philippe. "Modélisation de la turbulence engendrée par la morphologie du fond dans le Raz Blanchard : approche locale avec la LBM-LES." Thesis, Normandie, 2019. http://www.theses.fr/2019NORMC206/document.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

Le développement des énergies renouvelables passe par l’exploitation de nouvelles sources d’énergie. La filière hydrolienne, dédiée à la récupération de l’énergie des courants de marée, est proche de l’industrialisation. Cependant, les conditions hydrodynamiques turbulentes des sites hydroliens sont encore mal connues. Cette thèse propose d’examiner à l’échelle locale l’effet des rugosités du fond marin sur la génération de tourbillons hautement énergétiques par la simulation numérique en mécanique des fluides de type méthode de Boltzmann sur réseau. Cette méthode est particulièrement adaptée à la simulation d’écoulements instationnaires sur un domaine de simulation complexe. Dans un premier temps, les phénomènes physiques de détachements tourbillonnaires sur des macro-rugosités canoniques sont décrits. L’appariement de structures tourbillonnaires est mis en évidence dans le processus de formation de tourbillons hautement énergétiques. Dans un deuxième temps, la simulation permet d’observer de tels phénomènes dans le cas d’écoulements environnementaux intégrant une bathymétrie réelle. Ces simulations, validées par rapport à des mesures in situ, mènent à une meilleure compréhension des effets du fond marin sur la turbulence en milieu hydrolien. En particulier, l’importance des failles géologiques dans la génération de turbulence dans la zone d’étude est mise en évidence
Renewable energy development calls for exploitation of new energy resources. Tidal stream power harvesting is now close to the industrialisation step. Still, turbulent hydrodynamic conditions at tidal sites are not well understood. This thesis aims to investigate the local scale effect of sea bottom roughnesses on energetic vortex generation with computational fluid simulations using the lattice Boltzmann method. This method is highly indicated for unsteady flow simulations of complex domains. First, the physical phenomena involved in vortex emission around canonical macroroughnesses are described. Vortex merging is identified in the generation process of energetic vortices. Then, such physical events are reproduced in the case of environmental flow simulations using a real seabed morphology. These simulations are validated on in situ measured data, and lead to a better understanding of the sea bottom effect on tidal stream site turbulence. They demonstrate the role of geological faults on the local turbulence

14

Jurczuk, Krzysztof. "Calcul parallèle pour la modélisation d'images de résonance magnétique nucléaire." Thesis, Rennes 1, 2013. http://www.theses.fr/2013REN1S089.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

L'objet de cette thèse est la modélisation computationnelle de l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM), appliquée à l'imagerie des réseaux vasculaires. Les images sont influencées par la géométrie des vaisseaux mais aussi par le flux sanguin. Par ailleurs, outre la qualité des modèles développés, il est important que les calculs soient performants. C'est pourquoi, le calcul parallèle est utilisé pour gérer ce type de problèmes complexes. Dans cette thèse, trois solutions sont proposées. La première concerne les algorithmes parallèles pour la modélisation des réseaux vasculaires. Des algorithmes dédiés à différentes architectures sont proposés. Le premier est basé sur le modèle de « passage de messages » pour les machines à mémoires distribuées. La parallélisation concerne l'irrigation de nouvelles zones de tissu par les vaisseaux existants. Le deuxième algorithme est dédié aux machines à mémoire partagée. Il parallélise également le processus de perfusion mais des processeurs différents se chargent de gérer les différents arbres vasculaires. Le troisième algorithme est une combinaison des approches précédentes offrant une solution pour les architectures parallèles hybrides. Les algorithmes proposés permettent d'accélérer considérablement la croissance des réseaux vasculaires complexes, ce qui rend possible la simulation de structures vasculaires plus précises, en un temps raisonnable et aide à améliorer le modèle vasculaire et à tester plus facilement différents jeux de paramètres. Une nouvelle approche de modélisation computationnelle des flux en IRM est également proposée. Elle combine le calcul de flux par la méthode de Lattice Boltzmann, la simulation IRM par le suivi temporel de magnétisations locales, ainsi qu'un nouvel algorithme de transport des magnétisations. Les résultats montrent qu'une telle approche intègre naturellement l'influence du flux dans la modélisation IRM. Contrairement aux travaux de la littérature, aucun mécanisme additionnel n'est nécessaire pour considérer les artéfacts de flux, ce qui offre une grande facilité d'extension du modèle. Les principaux avantages de cette méthode est sa faible complexité computationnelle, son implémentation efficace, qui facilitent le lancement des simulations en utilisant différents paramètres physiologiques ou paramètres d'acquisition des images. La troisième partie du travail de thèse a consisté à appliquer le modèle d'imagerie de flux à des réseaux vasculaires complexes en combinant les modèles de vaisseaux, de flux et d'acquisition IRM. Les algorithmes sont optimisés à tous les niveaux afin d'être performants sur des architectures parallèles. Les possibilités du modèle sont illustrées sur différents cas. Cette démarche de modélisation peut aider à mieux interpréter les images IRM grâce à l'intégration, dans les modèles, de connaissances variées allant de la vascularisation des organes jusqu'à la formation de l'image en passant par les propriétés des flux sanguins
This PhD thesis concerns computer modeling of magnetic resonance imaging (MRI). The main attention is centered on imaging of vascular structures. Such imaging is influenced not only by vascular geometries but also by blood flow which has to been taken into account in modeling. Next to the question about the quality of developed models, the challenge lies also in the demand for high performance computing. Thus, in order to manage computationally complex problems, parallel computing is in use. In the thesis three solutions are proposed. The first one concerns parallel algorithms of vascular network modeling. Algorithms for different architectures are proposed. The first algorithm is based on the message passing model and thus, it is suited for distributed memory architectures. It parallelizes the process of connecting new parts of tissue to existing vascular structures. The second algorithm is designed for shared memory machines. It also parallelizes the perfusion process, but individual processors perform calculations concerning different vascular trees. The third algorithm combines message passing and shared memory approaches providing solutions for hybrid parallel architectures. Developed algorithms are able to substantially speed up the time-demanded simulations of growth of complex vascular networks. As a result, more elaborate and precise vascular structures can be simulated in a reasonable period of time. It can also help to extend the vascular model and to test multiple sets of parameters. Secondly, a new approach in computational modeling of magnetic resonance (MR) flow imaging is proposed. The approach combines the flow computation by lattice Boltzmann method, MRI simulation by following discrete local magnetizations in time and a new magnetization transport algorithm together. Results demonstrate that such an approach is able to naturally incorporate the flow influence in MRI modeling. As a result, in the proposed model, no additional mechanism (unlike in prior works) is needed to consider flow artifacts, what implies its easy extensibility. In combination with its low computational complexity and efficient implementation, the solution is a user-friendly and manageable at different levels tool which facilitates running series of simulations with different physiological and imaging parameters. The goal of the third solution is to apply the proposed MR flow imaging model on complex vascular networks. To this aim, models of vascular networks, flow behavior and MRI are combined together. In all the model components, computations are adapted to be performed at various parallel architectures. The model potential and possibilities of simulations of flow and MRI in complex vascular structures are shown. The model aims at explaining and exploring MR image formation and appearance by the combined knowledge from many processes and systems, starting from vascular geometry, through flow patterns and ending on imaging technology

15

Adia, Jean-Luc. "Modélisation multi échelle des phénomènes de retrait et de fluage dans les matériaux cimentaires : approches numériques couplant les éléments finis et la méthode de Lattice-Boltzmann." Thesis, Paris Est, 2017. http://www.theses.fr/2017PESC1013/document.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

Dans les structures en béton précontraint, les phénomènes de fluage et de retrait tendent à réduire les efforts de précontrainte initialement prévus pour maintenir le béton dans un état minimisant les forces de traction et donc la fissuration. La compréhension et la prédiction de ces phénomènes par le biais de modèles sont donc primordiales pour la conception et la maintenance à long terme des ouvrages du génie civil tels que les enceintes de confinement des centrales nucléaires.L’objectif de cette thèse est d’élaborer un cadre de modélisation micromécanique pour décrire de manière unifiée le retrait et le fluage dans les matériaux cimentaires. Pour cela, l’étude se base sur l’échelle de la microstructure poreuse du gel de C-S-H où les mécanismes intrinsèques de ces déformations différées du béton opèrent. Une approche d’homogénéisation numérique modélisant ces phénomènes dans des microstructures poreuses à morphologies quelconques est développée. Une description explicite du réseau poreux ainsi que de la phase liquide de l’eau pendant les processus de séchage/humidification est prise en compte. Les mécanismes concernant lesdéformations différées dans la phase solide sont modélisés par la théorie de la microprécontrainte-solidification (MPS). Les simulations à l’échelle microscopique sont réalisées par une approche originale couplant la méthode de Lattice Boltzmann (LBM) et la méthode des éléments finis (FEM). La LBM est utilisée pour décrire la distribution du liquide capillaire à l’échelle du pore,tandis que la FEM est employée pour simuler la déformation du squelette solide sous l’action combinée de l’eau dans l’espace poreux et d’un chargement macroscopique.La démarche proposée permet, au travers des simulations, de mieux comprendre les mécanismes liés à la non saturation et aux effets capillaires dans les milieux poreux. En particulier, la prise en compte de morphologies réalistes de microstructures et des ménisques formés conduit à différents régimes de retrait/gonflement. Ainsi les effets de l’intensité de la pression capillaire,de la tension de surface et des surfaces de chargement sur la réponse élastique du squelette solide sont évalués. Enfin, nous proposons une extension des approches précédentes au cas d’un squelette viscoélastique se déformant sous les effets de la pression capillaire et des tensions de surface. A partir des observations numériques réalisées, nous proposons un modèle pour décrire le fluage et le retrait du gel de C-S-H de manière unifiée
In pre-stressed concrete structures, creep and shrinkage tend to reduce the pre-stress forces which are initially produced so as to maintain concrete in a state minimizing traction forces and then cracks. Understanding and predicting these phenomena through models are thus highly important for the design and durability of civil engineering structures, such as containment buildings in nuclear power plants.The objective of this thesis is to develop a micromechanical modeling framework to describe shrinkage and creep in cementitious materials in a unified manner. For this purpose, the study focuses on the scale of the porous structure of the C-S-H gel where the intrinsic mechanisms of delayed strains are active. A computational homogenization approach is developed to model these phenomena in porous structures with arbitrary morphologies. An explicit description of the porous network and of the liquid phase of water during the drying/humidification process is taken into account. The mechanisms related to delayed strains in the solid phase are modeled by the microprestress-solidification theory (MPS). The simulations at the microscale are conductedbased on an original approach coupling the Lattice Boltzmann method (LBM) and the finite element method (FEM). The LBM is used to describe the distribution of capillary water in the porous structure, whereas the FEM serves as modeling the strain of the solid skeleton under the capillary water effets and a macroscopic load.The proposed method allows, by means of the simulations, to better understand the mechanisms related to the capillary effects in the porous structure. More specifically, taking into account realistic morphologies of microstructures and of the formed menisci lead to different regimes of shrinkage/swelling. Then, the effects of capillary pressure intensity, of surface tension and of morphologies of capillary surfaces on the elastic response of the solid skeleton are evaluated. Finally, the above approaches are extended to the case of a viscoelastic solid deformed under the action of the capillary water. From numerical observations, we propose a model is proposed to describe the creep and shrinkage of C-S-H gel in a unified way

16

Obrecht, Christian. "High performance lattice Boltzmann solvers on massively parallel architectures with applications to building aeraulics." Phd thesis, INSA de Lyon, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00776986.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

With the advent of low-energy buildings, the need for accurate building performance simulations has significantly increased. However, for the time being, the thermo-aeraulic effects are often taken into account through simplified or even empirical models, which fail to provide the expected accuracy. Resorting to computational fluid dynamics seems therefore unavoidable, but the required computational effort is in general prohibitive. The joint use of innovative approaches such as the lattice Boltzmann method (LBM) and massively parallel computing devices such as graphics processing units (GPUs) could help to overcome these limits. The present research work is devoted to explore the potential of such a strategy. The lattice Boltzmann method, which is based on a discretised version of the Boltzmann equation, is an explicit approach offering numerous attractive features: accuracy, stability, ability to handle complex geometries, etc. It is therefore an interesting alternative to the direct solving of the Navier-Stokes equations using classic numerical analysis. From an algorithmic standpoint, the LBM is well-suited for parallel implementations. The use of graphics processors to perform general purpose computations is increasingly widespread in high performance computing. These massively parallel circuits provide up to now unrivalled performance at a rather moderate cost. Yet, due to numerous hardware induced constraints, GPU programming is quite complex and the possible benefits in performance depend strongly on the algorithmic nature of the targeted application. For LBM, GPU implementations currently provide performance two orders of magnitude higher than a weakly optimised sequential CPU implementation. The present thesis consists of a collection of nine articles published in international journals and proceedings of international conferences (the last one being under review). These contributions address the issues related to single-GPU implementations of the LBM and the optimisation of memory accesses, as well as multi-GPU implementations and the modelling of inter-GPU and internode communication. In addition, we outline several extensions to the LBM, which appear essential to perform actual building thermo-aeraulic simulations. The test cases we used to validate our codes account for the strong potential of GPU LBM solvers in practice.

17

Asta, Adelchi Jacques. "Listening to the electrical noise for nanoﬂuidic sensing." Thesis, Sorbonne université, 2019. http://www.theses.fr/2019SORUS444.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

Le passage de la microfluidique, qui est aujourd'hui un domaine bien établi, à la nanofluidique nécessite le développement de techniques numériques. En utilisant la méthode de Lattice Boltzmann sur réseau électrocinétique (LBE), nous pouvons coupler l'équation de Navier-Stokes avec la théorie de Poisson-Nernst Planck et ainsi étudier les fluides confinés et chargés à l'échelle nanométrique. Les électrochimistes ont commencé à utiliser les fluctuations électriques qui en découlent pour extraire des informations sur les phénomènes interfaciaux et donc sur les processus microscopiques sous-jacents (par exemple: la détection de molécules uniques ou l’adsorption/désorption). Ceci nécessite de pouvoir modéliser des nanocondensateurs avec une différence de potentiel constante entre les deux électrodes, ce qui est la principale nouveauté ajoutée à l'algorithme LBE. Enfin, en couplant cette méthode à la méthode de propagation des moments, nous avons été en mesure de fournir un outil de calcul efficace, capable d'analyser les effets hydrodynamiques, électrocinétiques, d'adsorption/désorption et de taille finie dans des fluides confinés à l'échelle nanométrique, pour des géométries arbitraires, en régime linéaire et non linéaire, ainsi que dans les régimes transitoires et stationnaires. Dans le contexte du bruit électrique, la réponse temporelle de la charge à une perturbation de tension peut être liée à l'impédance et donc aux fluctuations électriques. A l'avenir, nous pourrons également étudier la réponse électrocinétique liée à la réponse de corrélation croisée entre la masse et les courants électriques
Moving from microfluidics, which is now a well-established field, to nanofluidics requires the development of computational tools. Using the Lattice Boltzmann Electrokinetics (LBE) method, we can couple the Navier-Stokes equation with the Poisson-Nernst Planck theory and thus study charged confined fluids at the nanoscale. Electrochemists have begun to use the electrical fluctuations arising from them to extract information on the interfacial phenomena and thus the underlying microscopic processes (e.g. single molecule detection, adsorption/desorption). This requires to be able to model nanocapacitors with a constant potential difference between the two electrodes, which was the main novelty added to the LBE algorithm. Finally by coupling this method with the moment propagation method, we have been able to provide an efficient computational tool capable to analyse, hydrodynamic, electrokinetic, adsorption/desorption and finite size effects in fluids confined at the nanoscale, for arbitrary geometries, in both linear and non-linear regimes, as well as in the transient and steady state regimes. Within the context of electrical noise, the temporal charge response to a voltage perturbation can be linked to the impedance and thus to the electrical fluctuations. In the future we will also be able to study the electrokinetic response related to the cross correlation response between mass and electric currents

18

Yehya, Alissar. "Contribution to the experimental and numerical characterization of phase-change materials : consideration of convection, supercooling, and soluble impurities." Thesis, Artois, 2015. http://www.theses.fr/2015ARTO0207/document.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

Au cours des deux dernières décennies, le contexte économique a changé de manière significative en raison de la hausse des prix de l'énergie. Le bâtiment étant devenu le principal secteur consommateur d'énergie, la réduction de celle-ci est devenue un objectif économique, sociétal et environnemental. Ce sujet mobilise de nombreux travaux de recherche. Les Matériaux à Changement de Phase (MCP) représentent une solution innovante qui pourrait contribuer à améliorer la performance énergétique des bâtiments. Ils sont principalement utilisés pour la régulation de température, et leur forte capacité de stockage est un moyen de réduire la consommation d'énergie. Notre étude vise à caractériser, via une approche expérimentale et numérique, le comportement d'un PCM (l’Octadécane). Pour cela, nous avons développé et mis en œuvre un modèle numérique qui corrobore les résultats expérimentaux, et ainsi améliore la prédiction de la performance du MCP considéré.Dans ce travail, notre principale préoccupation est de mettre en évidence les erreurs ou simplifications présentes dans le modèle numérique traditionnel pouvant entraîner un écart global par rapport au comportement réel du MCP. Ces différences conduisent à une estimation erronée des temps de fusion et de la quantité d'énergie stockée. L'amélioration significative de notre modèle est la prise en compte de la convection naturelle, de la surfusion, et l'utilisation des courbes réelles d'enthalpie du MCP considéré. La relation température-enthalpie réelle tient compte de la présence d'une fraction d'impuretés solubles dans le matériau. L’originalité de ce travail est de traiter ces phénomènes physiques via la méthode de Boltzmann réseau (connue sous l'acronyme LBM) avec des fonctions de distribution doubles couplée à une formulation enthalpique. Une telle approche permet de passer outre la non-linéarité des équations régissant l'écoulement et le transfert de chaleur. Sa simplicité de mise en œuvre et son caractère local permettent d'affiner le modèle. Ainsi, on peut couvrir les problèmes de changement de phase, y compris ceux pouvant avoir lieu dans des matrices poreuses ou fibreuses. Ce dernier point a été couvert dans cette thèse.Enfin, il s'est avéré que l'approche numérique adoptée ici pour traiter les problèmes de changement de phase corrobore à la fois nos résultats expérimentaux et ceux disponibles dans la littérature
Over the past two decades, the economic context has changed significantly due to the rise in energy prices. The building sector has become the main consumer of energy. Thereby, reducing the latter is now an economic, societal and environmental necessity. Accordingly, this topic mobilizes many researches. Phase Change Materials (PCMs) represent an innovative solution, which could improve buildings' energy performance. They are primarily used for temperature regulation, and their high storage capacity can reduce energy consumption.Our study aims at characterizing, via a complementary approach of experimental and numerical simulation, the behavior of a PCM (n-Octadecane). For this, we have developed and implemented a numerical model that corroborates the experimental results, and hence improves the prediction of the PCM performance.In this work, our main concern is to highlight the common errors or simplifications taken in the traditional numerical model, which can result in an overall discrepancy compared to the actual behavior of PCMs. Those discrepancies lead to wrong estimation of the fusion times and amount of energy stored. The major improvement of our model is the consideration of the natural convection, the supercooling, and the use of real enthalpy curves of the considered PCM. The actual temperature-enthalpy relationship takes into account the presence of a fraction of soluble impurities in the material. The originality of this work is to handle these physical phenomena via a lattice Boltzmann method (known by the acronym LBM), which leans on double distribution functions and coupled with the enthalpy formulation. Such an approach overcomes the non-linearity in the governing equations of fluid flow and heat transfer. Its simplicity and local character allow adding complexity to the model. Thereby, one can cover up the phase change problems, including those, which may occur in heterogeneous matrices. This last point has been also covered in this thesis.Finally, it turned out that the approach implemented here for phase change problems supports both, our experimental results and those available in the literature

19

Vogel, Laure. "Influence de l'hétérogénéité physique des microenvironnements du sol sur les transformations microbiennes du carbone : exploration à l'aide d'un modèle de Boltzmann sur réseau." Thesis, Paris, AgroParisTech, 2015. http://www.theses.fr/2015AGPT0061.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

L’activité des microorganismes hétérotrophes contrôle la vitesse de décomposition de la matière organique du sol (MOS) et pourrait donc être déterminante dans la régulation du climat. La forte hétérogénéité spatiale des conditions abiotiques dans le sol est supposée influencer cette activité, en régulant notamment l’accessibilité des nutriments aux décomposeurs via des processus de transport (diffusion, convection) et de rétention (adsorption). L’échelle des microhabitats – soit celle des pores – apparaît donc pertinente pour étudier les processus de biodégradation dans le sol. Elle reste cependant inhabituelle à cause de difficultés expérimentales qui lui sont associées.Un modèle spatialisé a été construit pour explorer les effets de conditions abiotiques hétérogènes dans les microenvironnements du sol sur la cinétique de biodégradation de substrats carbonés par des microorganismes – représentées ici par des bactéries immobiles. Il résulte du couplage entre un modèle de Boltzmann sur réseau (TRT-LBM [Ginzburg, 2005]) et un modèle biogéochimique de carbone. Il calcule des processus de transport – diffusion – et de biodégradation à l’échelle des pores, dans des milieux hétérogènes dont certaines propriétés structurales sont explicitement décrites, telles que l’architecture de la porosité (implémentée sous la forme d’images discrètes), la distribution de l’eau à saturation partielle et l’arrangement spatial des substrats et des décomposeurs – représentés ici par des bactéries immobiles. L’influence de ces différents facteurs a été évaluée en analysant la variabilité de la cinétique de biodégradation pour une gamme de scénarios décrivant des conditions abiotiques contrastées. Cette source de variabilité a pu être comparée aux incertitudes relevant de la description du métabolisme microbien. Enfin, des expérimentations manipulant la structure de milieux hétérogènes ont été réalisées pour confronter tendances simulées et observées
Heterotrophic microorganisms control soil organic matter (SOM) decomposition and may thus have a key importance in climate regulation. Heterogeneous abiotic conditions in soil microenvironments are thought to affect soil decomposers activity by controlling nutrient accessibility through solute transport (diffusion, advection) and sorption processes. Microhabitat – or pore – scale thus appears relevant to study biodegradation processes, but is also challenging to investigate by experimental means.A discrete model was created to explore the effect of abiotic conditions in soil microenvironments on biodegradation kinetics. It results from the coupling of a zero-dimensional soil carbon model and a lattice Boltzmann model (TRT-LBM [Ginzburg, 2005]). It simulates diffusion and biodegradation at the pore scale, as affected by explicitly described structural factors, such as the 3D pore architecture (approximated by discrete images), water distribution under unsaturated conditions and the spatial arrangement of substrates and decomposers – viewed here as immobile bacteria. The model was tested in a range of scenarios depicting contrasted abiotic conditions. The variability in biodegradation kinetics was analyzed to infer the contributions of physical factors. This source of variability was compared to uncertainties associated to biological metabolism description. Finally, experiments manipulating structural factors were performed to confront observed and simulated trends

20

Chang, Qingming. "LATTICE BOLTZMANN METHOD (LBM) FOR THERMAL MULTIPHASE FLUID DYNAMICS." Case Western Reserve University School of Graduate Studies / OhioLINK, 2006. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=case1133469811.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

21

Koosukuntla, Narender Reddy. "Towards Development of a Multiphase Simulation Model Using Lattice Boltzmann Method (LBM)." University of Toledo / OhioLINK, 2011. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=toledo1321629685.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

22

Haughey, Kyle J. "Boundless Fluids Using the Lattice-Boltzmann Method." DigitalCommons@CalPoly, 2009. https://digitalcommons.calpoly.edu/theses/117.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

Computer-generated imagery is ubiquitous in today's society, appearing in advertisements, video games, and computer-animated movies among other places. Much of this imagery needs to be as realistic as possible, and animators have turned to techniques such as fluid simulation to create scenes involving substances like smoke, fire, and water. The Lattice-Boltzmann Method (LBM) is one fluid simulation technique that has gained recent popularity due to its relatively simple basic algorithm and the ease with which it can be distributed across multiple processors. Unfortunately, current LBM simulations also suffer from high memory usage and restrict free surface fluids to domains of fixed size. This thesis modifies the LBM to utilize a recursive run-length-encoded (RLE) grid data structure instead of the standard fixed array of grid cells, which reduces the amount of memory required for LBM simulations as well as allowing the domain to grow and shrink as necessary to accomodate a liquid surface. The modified LBM is implemented within the open-source 3D animation package Blender and compared to Blender's current LBM simulator using the metrics of memory usage and time required to complete a given simulation. Results show that, although the RLE-based simulator can take several times longer than the current simulator to complete a given simulation, the memory usage is significantly reduced, making an RLE-based simulation preferable in a few specific circumstances.

23

BOCANEGRA, CIFUENTES JOHAN AUGUSTO. "Lattice Boltzmann Method: applications to thermal fluid dynamics and energy systems." Doctoral thesis, Università degli studi di Genova, 2021. http://hdl.handle.net/11567/1060259.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

In many energy systems fluids play a fundamental role, and computational simulations are a valuable tool to study their complex dynamics. The Lattice Boltzmann Method (LBM) is a relatively new numerical method for computational fluid dynamics, but its applications can be extended to physical phenomena beyond fluid flows. This thesis presents applications of the LBM to thermal fluid dynamics and energy systems. Specific applications considered are: application to nuclear reactor engineering problems; thermal fluid dynamic behavior of a Natural Circulation Loop; nanoparticles gravitational sedimentation; acoustical problems. The main original contributions derived from this work are: first, the systematic description of the current status of LBM applications to nuclear reactors problems, including test cases and benchmark simulations; second, the development and validation of a LBM model for a single-phase natural circulation loop; third, the development and validation of a LBM model for gravitational sedimentation of nanoparticles, and fourth, the systematic description of the current status of LBM applications to acoustics, including simulations of test cases. The development of this thesis was not limited to simulations; experimental studies in parallel connected natural circulation loops of small inner diameter were conducted, showing the wide applicability of the one-dimensional theoretical models used to validate the LBM results. Additional contributions derived from this work: 1. the applicability of the method to study neutron transport and nuclear waste disposal using porous materials was shown. 2. changes in the thermophysical performance of the natural circulation loop when the loop reached a non-laminar (transition) regime were found at a Reynolds number lower than the typical range. 3. variable diffusion and sedimentation parameters were effective to model the experimental sedimentation curves. In conclusion, this work shows that the LBM is a versatile and powerful computational tool that can be used beyond the common Computational Fluid Dynamics applications.
In many energy systems fluids play a fundamental role, and computational simulations are a valuable tool to study their complex dynamics. The Lattice Boltzmann Method (LBM) is a relatively new numerical method for computational fluid dynamics, but its applications can be extended to physical phenomena beyond fluid flows. This thesis presents applications of the LBM to thermal fluid dynamics and energy systems. Specific applications considered are: application to nuclear reactor engineering problems; thermal fluid dynamic behavior of a Natural Circulation Loop; nanoparticles gravitational sedimentation; acoustical problems. The main original contributions derived from this work are: first, the systematic description of the current status of LBM applications to nuclear reactors problems, including test cases and benchmark simulations; second, the development and validation of a LBM model for a single-phase natural circulation loop; third, the development and validation of a LBM model for gravitational sedimentation of nanoparticles, and fourth, the systematic description of the current status of LBM applications to acoustics, including simulations of test cases. The development of this thesis was not limited to simulations; experimental studies in parallel connected natural circulation loops of small inner diameter were conducted, showing the wide applicability of the one-dimensional theoretical models used to validate the LBM results. Additional contributions derived from this work: 1. the applicability of the method to study neutron transport and nuclear waste disposal using porous materials was shown. 2. changes in the thermophysical performance of the natural circulation loop when the loop reached a non-laminar (transition) regime were found at a Reynolds number lower than the typical range. 3. variable diffusion and sedimentation parameters were effective to model the experimental sedimentation curves. In conclusion, this work shows that the LBM is a versatile and powerful computational tool that can be used beyond the common Computational Fluid Dynamics applications.

24

Gokaltun, Seckin. "Lattice Boltzmann Method for Flow and Heat Transfer in Microgeometries." FIU Digital Commons, 2008. http://digitalcommons.fiu.edu/etd/64.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

Recent technological developments have made it possible to design various microdevices where fluid flow and heat transfer are involved. For the proper design of such systems, the governing physics needs to be investigated. Due to the difficulty to study complex geometries in micro scales using experimental techniques, computational tools are developed to analyze and simulate flow and heat transfer in microgeometries. However, conventional numerical methods using the Navier-Stokes equations fail to predict some aspects of microflows such as nonlinear pressure distribution, increase mass flow rate, slip flow and temperature jump at the solid boundaries. This necessitates the development of new computational methods which depend on the kinetic theory that are both accurate and computationally efficient. In this study, lattice Boltzmann method (LBM) was used to investigate the flow and heat transfer in micro sized geometries. The LBM depends on the Boltzmann equation which is valid in the whole rarefaction regime that can be observed in micro flows. Results were obtained for isothermal channel flows at Knudsen numbers higher than 0.01 at different pressure ratios. LBM solutions for micro-Couette and micro-Poiseuille flow were found to be in good agreement with the analytical solutions valid in the slip flow regime (0.01 < Kn < 0.1) and direct simulation Monte Carlo solutions that are valid in the transition regime (0.1 < Kn < 10) for pressure distribution and velocity field. The isothermal LBM was further extended to simulate flows including heat transfer. The method was first validated for continuum channel flows with and without constrictions by comparing the thermal LBM results against accurate solutions obtained from analytical equations and finite element method. Finally, the capability of thermal LBM was improved by adding the effect of rarefaction and the method was used to analyze the behavior of gas flow in microchannels. The major finding of this research is that, the newly developed particle-based method described here can be used as an alternative numerical tool in order to study non-continuum effects observed in micro-electro-mechanical-systems (MEMS).

25

Caiazzo, Alfonso. "Asymptotic Analysis of lattice Boltzmann method for Fluid-Structure interaction problems." Doctoral thesis, Scuola Normale Superiore, 2007. http://hdl.handle.net/11384/85682.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

The lattice Boltzmann method (LBM) is a numerical solver for the Navier-Stokes equation, based on an underlying molecular dynamic model. Recently, it has been extended towards the simulation of complex fluids. In this thesis, we use the asymptotic expansion technique to investigate the standard scheme, the initialization problem and possible developments towards moving boundary and fluid-structure interaction problems. At the same time, it will be shown how the mathematical analysis can be used to understand and improve the algorithm. First of all, we elaborate the tool "asymptotic analysis", explaining the methods and the strategy we use for the investigation. A first application to the LBM is described, recovering the approximation of the Navier-Stokes solution starting from the lattice Boltzmann equation. As next, we extend the analysis, to investigate the origin and the dynamic of initial layers. A class of initialization algorithms to generate accurate initial values within the LB framework is described in detail. Then we study the features of a simple moving boundary LBM. In particular, we concentrate on the initialization of new uid nodes created by the variations of the computational fluid domain. Finally, to set up an LBM for uid structure interaction, efficient routines to evaluate forces are required. We describe the Momentum Exchange algorithm (MEA). Precise accuracy estimates are derived, and the analysis leads to the construction of an improved method to evaluate the interface stresses. In conclusion, we test the defined code and validate the results of the analysis on several simple benchmarks.

26

Banete, Olimpia. "TOWARDS MODELING HEAT TRANSFER USING A LATTICE BOLTZMANN METHOD FOR POROUS MEDIA." Thesis, Laurentian University of Sudbury, 2014. https://zone.biblio.laurentian.ca/dspace/handle/10219/2200.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

I present in this thesis a fluid flow and heat transfer model for porous media using the lattice Boltzmann method (LBM). A computer simulation of this process has been developed and it is written using MATLAB software. The simulation code is based on a two dimensional model, D2Q9. Three physical experiments were designed to prove the simulation model through comparision with numerical results. In the experiments, physical properties of the air flow and the porous media were used as input for the computer model. The study results are not conclusive but show that the LBM model may become a reliable tool for the simulation of natural convection heat transfer in porous media. Simulations leading to improved understanding of the processes of air flow and heat transfer in porous media may be important into improving the efficiency of methods of air heating or cooling by passing air through fragmented rock.

27

Hantsch, Andreas. "A lattice Boltzmann equation model for thermal liquid film flow." Doctoral thesis, Technische Universitaet Bergakademie Freiberg Universitaetsbibliothek "Georgius Agricola", 2013. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:105-qucosa-130098.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

Liquid film flow is an important flow type in many applications of process engineering. For supporting experiments, theoretical and numerical investigations are required. The present state of the art is to model the liquid film flow with Navier--Stokes-based methods, whereas the lattice Boltzmann method is employed here. The final model has been developed within this treatise by means of a two-phase flow and a heat transfer model, and boundary and initial conditions. All these sub-models have been applied to simple test cases. It could be found that the two-phase model is capable of solving flow phenomena with a large density ratio which has been shown impressively in conjunction with wall boundary conditions. The heat transfer model was tested against spectral method results with a transient non-uniform flow field. It was possible to find optimal parameters for computation. The final model has been applied to steady-state film flow, and showed very good agreement to OpenFOAM simulations. Tests with transient film flow demonstrated that the model is also able to predict these flow phenomena
Flüssigkeitsfilmströmungen kommen in vielen verfahrenstechnischen Prozessen zum Einsatz. Zur Unterstützung von Experimenten sind theoretische und numerische Untersuchungen nötig. Stand der Technik ist es, Navier--Stokes-basierte Modelle zu verwenden, wohingegen hier die Lattice-Boltzmann-Methode verwendet wird. Das finale Modell wurde unter Verwendung eines Zweiphasen- und eines Wärmeübertragungsmodell entwickelt und geeignete Rand- und Anfangsbedingungen formuliert. Alle Untermodelle wurden anhand einfacher Testfälle überprüft. Es konnte herausgefunden werden, dass das Zweiphasenmodell Strömungen großer Dichteunterschiede rechnen kann, was eindrucksvoll im Zusammenhang mit Wandrandbedingungen gezeigt wurde. Das Wärmeübertragungsmodell wurde gegen eine Spektrallösung anhand eines transienten und nichtuniformen Strömungsproblemes getestet. Stationäre Filmströmungen zeigten sehr gute Übereinstimmungen mit OpenFOAM-Lösungen und instationäre Berechungen bewiesen, dass das Model auch solche Strömungen abbilden kann

28

Dugast, Florian. "Optimisation topologique en convection thermique avec la méthode de Lattice Boltzmann." Thesis, Nantes, 2018. http://www.theses.fr/2018NANT4056/document.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

L’optimisation des transferts de chaleur est un enjeu de recherche important pour améliorer les performances des systèmes énergétiques, notamment des échangeurs de chaleur. Cette optimisation peut s’appuyer sur différents leviers, comme le choix du régime d’écoulement, ou la modification de la géométrie de l’échangeur. C’est sur ce deuxième angle que nous avons travaillé au cours de cette thèse, en proposant une méthode d’optimisation topologique. Le nombre de paramètres impliqués dans cette méthode est important (plusieurs milliers). Une méthode à gradient est donc employée. Le calcul du gradient de la fonction de coût en fonction des paramètres de design est facilité par l’emploi d’une méthode adjointe. Le problème direct est résolu à l’aide de la méthode de Lattice Boltzmann (LBM). L’implémentation aisée des conditions aux limites dans l’algorithme LBM est un bénéfice pour l’optimisation topologique. De plus, la formulation de la LBM est explicite et hautement parallélisable, notamment sur les cartes graphiques (GPU), utilisées au cours de cette thèse. Ensuite le domaine d’optimisation est composé de fluide et de solide. Leur distribution est définie par une fonction Level- Set (LSF). Cette fonction est continue et le contour zéro définit précisément l’interface fluide/solide. La méthode d’optimisation développée a été testée et validée pour différents objectifs (minimisation de la température moyenne, maximisation de l’échange de chaleur) et contraintes (limitation des pertes de charges, porosité fixée)
Heat transfer enhancement is an important research area to improve the efficiency of energy systems, especially for heat exchangers. There are different ways of optimizing such systems as the choice of flow regime or the modification on the fluid channels geometry. This thesis is focused on the latter option with the development of a topology optimization method. The number of design parameters involved in this technique is important (several thousands) so a gradient-based method is employed. The calculation of the cost function gradient with respect to the design variables is done with an adjoint-state method. The forward problem is solved with the Lattice Boltzmann Method (LBM). The simple implementation of the LBM boundary conditions is an interesting feature for topology optimization. The LBM algorithm is also highly parallelizable and GPU cards have been used in this thesis to obtain fast computational times. The efficiency of the LBM is important because the forward problem must be solved at each optimization step. Then, the optimization domain is composed of either solid of fluid elements. This material distribution is defined by a Level-Set Function (LSF). This is a continuous function in which the zero contour defines the fluid/solid interface, allowing an accurate description of both domains. The proposed optimization method has been tested for different objectives (minimization of the mean temperature, maximization of heat transfer rate) and constraints (pressure drops limitation, fixed porosity)

29

Benamour, Malek. "Développement d'une méthode de pénalisation volumique en lattice Boltzmann : application aux domaines mobiles." Thesis, La Rochelle, 2015. http://www.theses.fr/2015LAROS017/document.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

Les écoulements autour de structures en mouvement font l'objet de plusieurs travaux numériques et expérimentaux. L'objectif de ce travail de thèse consiste à montrer la pertinence de la combinaison de la pénalisation volumique avec la méthode de lattice Boltzmann (LBM), dans l'étude du mouvement d'obstacles mobiles dans un écoulement, et de leur interaction avec celui-ci. La LBM,qui est simple et précise à mettre en œuvre, a prouvé ces dernières années son efficacité dans le domaine de la mécanique des fluides. Par ailleurs, la méthode de pénalisation volumique consiste à introduire un terme de pénalisation dans l'équation que l'on souhaite résoudre, afin de prendre en compte l'influence de l'obstacle sur le domaine fluide. Comme cette équation est résolue sur l'ensemble du domaine composé du fluide et du solide, les conditions aux limites à l'interface fluide-solide sont appliquées de façon naturelle. Il semble donc aisé de combiner cette technique avec la méthode de lattice Boltzmann. Nous avons dans un premier temps rappelé les notions de base et les principales caractéristiques de la méthode de lattice Boltzmann. On a présenté quelques exemples d'applications sur des cas tests, que nous avons programmés. Ensuite, une étude bibliographique faisant état des différentes approches qui utilisent la LBM dans l'étude des problèmes d'interaction fluide structure (IFS) a été réalisée. Puis, la combinaison de la pénalisation volumique avec la LBM a été testée avec succès sur l'équation de Burgers monodimensionnelle. La validation s'est portée en premier lieu, sur un écoulement autour d'un solide fixe, puis sur un écoulement autour d'une structure dont le mouvement est imposé, et finalement sur un problème d'IFS de type masse-ressort. La méthode développée a été ensuite testée sur les équations de Navier-Stokes, en considérant un fluide incompressible et une structure rigide. La validation s'est portée tout d'abord sur un écoulement autour d'obstacles immobiles (carré et cylindre), puis autour d'un cylindre mobile en oscillations forcées et libres. Enfin, une dernière application a été portée sur un écoulement entre deux plaques mobiles dans un canal. Nous avons montré que pour tous les cas étudiés, l'approche développée donne de bons résultats, elle reproduit avec précision les résultats de référence
Flows around moving bodies are the subject of several numerical and experimental studies. The work presented in this document deals with the implementation of a volume penalization technique in a lattice Boltzmann model (LBM), in order to compute flows around moving obstacles. The LBM, which is accurate and easy to implement, has been successfully applied in fluid mechanics during the last decades. It was thus chosen in the present work, for flow computation. Furthermore, the volume penalization technique consists in introducing a volume penalization term into the equation that needs to be solved, in order to take into account the influence of the obstacle on the fluid domain. Since this equation is solved on both fluid and solid domains, the boundary conditions at the fluid-solid interface are naturally applied. Hence this technique seems easy to implement in a lattice Boltzmann framework. In the first chapter, the foundations and the main features of the lattice Boltzmann method are recalled, and several test cases that we simulated are presented. The second chapter deals with a literature review of the techniques developed for the simulation of fluid structure interaction problems in combination with the LBM. In the third chapter, the volume penalization method combined with the LBM was first applied to the one dimensional Burgers equation, considering motionless and moving obstacles (forced motion, and coupling between the fluid force calculated with the penalized Burgers equation and the motion of the obstacle). The combination of the volume penalization approach and the LBM was then employed to solve the incompressible NavierStokes equations, for cases of flows past motionless obstacles (flows over a square obstacle, and past a circular cylinder), and past an oscillating cylinder (where forced and free oscillations of the cylinder were simulated). Finally, this method was also applied to a symmetric Couette flow. For all these simulated cases, a good agreement with numerical results obtained with other techniques, and with results found in literature, was obtained

30

Kostenko, Romaric. "Simulation d'écoulements non-newtoniens en milieu poreux macroscopique par la méthode de lattice-Boltzmann." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLS561.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

Un fluide non-newtonien est un fluide dont la relation entre son taux de déformation et la contrainte qui lui est imposé n'est pas linéaire. Dans un milieu poreux, la contrainte imposée au fluide dépend de la pression imposée mais aussi de la taille des pores, et donc de la perméabilité à l'échelle macroscopique. Certains fluides peuvent avoir une rhéologie qui présente un changement à partir d'un seuil en contrainte. Si la taille des pores est aléatoire, le fluide va alors changer de régime de façon hétérogène dans le milieu. L'écoulement pourra alors présenter un premier régime où tout le fluide est en dessous du seuil, un régime où tout le fluide est au-dessus du seuil, et un régime intermédiaire pour lequel les deux types de rhéologie coexistent. Nous nous intéressons à ce régime intermédiaire pour des écoulements de fluide non-newtonien en milieu poreux macroscopique, étudiés par des simulations. Plus particulièrement, nous regardons l'écoulement d'un fluide de Bingham et celui d'un fluide de Carreau. Le fluide de Bingham ne s'écoule qu'à partir d'une contrainte seuil. En dessous du seuil, il se comporte comme un solide. Au-delà, sa relation taux de déformation/contrainte suis une loi affine. Les fluides de Carreau ont une relation taux de déformation/contrainte qui change de régime entre une loi linéaire et une loi de puissance. L'étude à l'échelle macroscopique se fait en simulant une loi de Darcy-Brinkman dans un champ de perméabilité hétérogène. Nous utilisons pour nos simulations la méthode de Boltzmann sur réseau, avec une grille de nœuds régulière, plus particulièrement le schéma à deux temps de relaxation d'Irina Ginzburg. Pour chaque fluide, nous regardons la relation débit-pression, ainsi que les propriétés géométriques des différents régimes d'écoulement. Nous caractérisons plus particulièrement les propriétés multi-échelles des régions dans un le même régime d'écoulement (clusters), telles que leur taille ou leur forme. Nous faisons aussi le lien entre ces propriétés géométriques et la théorie de la percolation, qui étudie le comportement de cartes de nœuds s'ouvrant aléatoirement et qui prédit des propriétés fractales
A non-newtonian fluid is a fluid which relation between it's shear rate and the stress under which it is put, is not linear. In a porous medium, the stress imposed to the fluid depends on the imposed pressure, but also on the pores size, and therefore on the macroscopic scale permeability. Some fluids have a rheology such that the fluid show a change of behaviour reaching a yield stress. If the pore size is random, then the fluid will present heterogeneous regime changes in the medium. The flow will then show a first regime where the whole fluid will be under the threshold, a regime where the whole fluid will be far above the threshold, and an intermediate regime for which both rheologies coexists. We are interested in intermediate regime for the flow of non-newtonian fluids in macroscopic porous media, and study it with numerical simulations. More particularly, we look at the flow of a Bingham fluid and that of a Carreau fluid. The Bingham fluid doesn't flow under a yield stress. Under the threshold, it behaves as a solid. Beyond, it's shear-rate/stress relation is an affine law. Carreau fluids have a shear-rate/stress relation that change regime between that of a newtonian fluid, and a power law. The macroscopic scale study is done simulating a Darcy-Brinkman law in a heterogeneous permeability field. We use for our simulations the lattice-Boltzmann method, on a regular node grid, and more specifically Irina Ginzburg two relaxation-time scheme. For each fluid, we study the flow-pressure relationship, as well as the geometric properties and the multi-scale properties in the fluid regions in the same flow regime (clusters), properties such as their size and shape. We also link these geometrical properties to the percolation theory, which studies the behaviour of randomly opening node maps and predicts fractal properties

31

Mudrich, Jaime. "Development of a Coupling Model for Fluid-Structure Interaction using the Mesh-free Finite Element Method and the Lattice Boltzmann Method." FIU Digital Commons, 2013. http://digitalcommons.fiu.edu/etd/964.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

In the presented thesis work, the meshfree method with distance fields was coupled with the lattice Boltzmann method to obtain solutions of fluid-structure interaction problems. The thesis work involved development and implementation of numerical algorithms, data structure, and software. Numerical and computational properties of the coupling algorithm combining the meshfree method with distance fields and the lattice Boltzmann method were investigated. Convergence and accuracy of the methodology was validated by analytical solutions. The research was focused on fluid-structure interaction solutions in complex, mesh-resistant domains as both the lattice Boltzmann method and the meshfree method with distance fields are particularly adept in these situations. Furthermore, the fluid solution provided by the lattice Boltzmann method is massively scalable, allowing extensive use of cutting edge parallel computing resources to accelerate this phase of the solution process. The meshfree method with distance fields allows for exact satisfaction of boundary conditions making it possible to exactly capture the effects of the fluid field on the solid structure.

32

Ge, Fei. "The lattice Boltzmann method dedicated to image processing." Thesis, Lyon, 2020. http://www.theses.fr/2020LYSEI012.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

La méthode de Boltzmann sur réseau est un outil de simulation numérique dont la formulation à l'échelle mésoscopique permet d'éviter la résolution d'une équation différentielle, et repose sur des mécanismes de propagation et de collision au cours du temps, de distributions de particules se propageant sur un réseau régulier. Si les lois de conservation sont imposées en chaque nœud du réseau, alors la solution générée correspondra à la modélisation de phénomènes physiques à l'échelle macroscopique. Dans ce contexte la méthode de Boltzmann est tout à fait adaptée pour résoudre un problème de mécanique des fluides qui équivaut à résoudre indirectement l'équation de Navier-Stokes. Récemment des travaux en traitement d'images ont été réalisés en adaptant la méthode de Boltzmann sur réseau à des opérations de segmentation, de dé bruitage, etc. Par ailleurs la méthode Boltzmann est intrinsèquement adaptée au calcul parallèle sur cartes graphiques permettant ainsi d'optimiser les temps de calculs. Dans ce cadre, l'objectif de cette thèse est de développer une stratégie générale de segmentation multi-seuils appliquée à des données 3D. L'élaboration d'une fonction de collision originale couplée à un algorithme des k-moyennes réalisant une division en "K" partitions ("clusters") des niveaux de gris de l'image considérée, permet une segmentation efficace à seuils multiples. La précision et l’efficacité de la solution proposée ont été validées sur des images de références et sur des séquences d'imagerie médicale traitant d’anévrismes cérébraux. Egalement la méthode proposée couplant la méthode de Boltzmann et la méthode des k-moyennes, a été testée sur cartes graphiques n’VIDIA attestant que la méthode proposée permet une accélération des calculs d'un facteur au moins supérieur à cent et avec une précision identique relevée notamment lors de la segmentation de la paroi d'anévrismes intracrâniens
Lattice Boltzmann Method (LBM) is a numerical tool for solving partial differential equation, LBM being a mesoscopic model dealing with the material containing a quantity of particles in order to simulate macroscopic phenomenon. As a numerical tool LBM has proved its capability to simulate complex fluid flow behaviours and more recently to process medical images. In the framework of image analysis, LBM is implemented to perform de-noising operation, image boundary detection and image segmentation. In addition, LBM has advantage of strong amenability to parallel computing, especially on low-cost, powerful graphics hardware (GPU).In this direction, the main purpose of this thesis is to develop a general parallel computational segmentation algorithm. We have proved the efficiency of the proposed original method through the segmentation of the wall of an aneurysm and associated with parent blood vessels, whole cerebral data-set and stent-assisted aneurysm. The parallel segmentation algorithm has been run on nVIDIA graphic card, and demonstrates that the speedup has been improved by more than 100 times under the same precision

33

Suss, Alexandre. "Couplage des méthodes Navier-Stokes et Lattice Boltzmann pour les simulations aérodynamiques instationnaires." Electronic Thesis or Diss., Paris, HESAM, 2023. http://www.theses.fr/2023HESAC044.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

La simulation numérique appliquée à la mécanique des fluides est devenue un outil de conception indispensable pour l’industrie aéronautique. Alors que la plupart des simulations industrielles sont réalisées à l’aide d’une approche RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes), celle-ci montre ses limites dès lors qu’il s’agit de caractériser finement des écoulements turbulents instationnaires ou d’étudier des phénomènes aéroacoustiques large-bande. Ainsi, les industriels expriment un besoin grandissant d'outils de simulation haute-fidélité performants. Deux méthodes numériques se montrent particulièrement prometteuses pour la réalisation de telles simulations dans un futur proche : les méthodes Navier-Stokes et la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM). Les travaux menés dans le cadre de cette thèse ont contribué à fournir une meilleure compréhension des avantages et des inconvénients respectifs de ces deux méthodes, démontrant que les méthodes de Boltzmann sur réseau et Navier-Stokes se complètent plutôt qu'elles ne se concurrencent. Pour cela, l’étude s’est divisée en deux grandes parties. En premier lieu, une comparaison exhaustive et rigoureuse des méthodes de Boltzmann sur réseau et Navier-Stokes a été réalisée. Différents aspects des méthodes numériques ont été discutés comme leur dissipation et dispersion intrinsèque, leur performance dans un environnement de calcul parallèle (HPC) ainsi que leur capacité à simuler efficacement différents problèmes canoniques de la LES à un niveau de précision donné. Cette étude a permis d’apporter un nouveau regard sur les propriétés des méthodes de Boltzmann sur réseau et Navier-Stokes et de fournir des éléments d’aide à la décision afin d’orienter le choix des ingénieurs vers l’utilisation d’une méthode par rapport à l’autre selon le type d’application visée et le niveau de fidélité requis. Dans un second temps, la possibilité de la mise en place d’un couplage entre les méthodes de Boltzmann sur réseau et Navier-Stokes a été explorée. En effet, de nombreux aspects de la LBM posent encore problèmes ou restent peu efficaces. En particulier le traitement numérique de la zone de proche paroi reste mal défini due à la forme cartésienne des maillages imposée par la méthode. A l'inverse, les approches Navier-Stokes classiques sont particulièrement performantes dans le voisinage de la paroi de par l'utilisation de maillages curvilignes à très grand rapport d'aspect et de méthodes d'intégration temporelle implicites. Ainsi, une méthode numérique hybride innovante a été développée reposant sur un couplage zonal des méthodes de Boltzmann sur réseau et Navier-Stokes, puis étendu au cas de maillages recouvrants (approche Chimère). De nombreuses validations permettent de montrer l’intérêt de cette stratégie. Notamment, cette nouvelle méthode hybride permet de réduire le coût de simulations aéroacoustiques directes en offrant une précision optimale
Computational Fluid Dynamics has become an important design tool for the aeronautical industry. While most industrial simulations are carried out using a RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) approach, this approach is showing its limitations when it comes to finely characterising unsteady turbulent flows or studying broadband aeroacoustic phenomena. In this context, manufacturers are increasingly looking for high-performance, high-fidelity simulation tools. Two numerical methods are showing particular promise for performing industrial-scale high-fidelity flow simulations in the near future: the Navier-Stokes method and the lattice Boltzmann method (LBM). These two approaches are often presented as competing, but each has its own specific features and requirements. The research carried out as part of this thesis has helped to provide a better understanding of the respective advantages and disadvantages of these two methods, revealing that the lattice Boltzmann and Navier-Stokes methods complement each other rather than compete. The study is divided into two main parts. Firstly, a comprehensive and rigorous comparison of the lattice Boltzmann and Navier-Stokes methods was conducted. The numerical methods were examined in various aspects, such as their intrinsic dissipation and dispersion, their performance in a parallel computing environment (HPC) and their ability to efficiently simulate various canonical LES problems at a given level of accuracy. This study has offered a new perspective on the properties of the lattice Boltzmann and Navier-Stokes methods, providing several decision aids to help the CFD community choose one method over the other based on the type of application and the fidelity level required. Secondly, this PhD explored the possibility of coupling the lattice Boltzmann and Navier-Stokes methods. Indeed, while the LBM offers many benefits, there are still some issues and inefficiencies, especially regarding the numerical treatment of the near-wall zone. The Cartesian shape of the meshes imposed by the method is one of the main reasons for this problem. In contrast, classical Navier-Stokes approaches are particularly effective in the vicinity of the wall thanks to the use of curvilinear meshes with very high aspect ratios and implicit time integration methods. Therefore, an innovative hybrid numerical method was developed based on a zonal coupling of the lattice Boltzmann and Navier-Stokes methods. This approach was then extended to the case of overset meshes (Chimera approach). Numerous validations have demonstrated the value of this strategy. In particular, this new hybrid method makes it possible to reduce the cost of direct aeroacoustic simulations while maintaining optimum accuracy

34

Shrestha, Kalyan. "Simulation of wall-bounded turbulent convective flows by finite volume Lattice Boltzmann method." Thesis, Lille 1, 2015. http://www.theses.fr/2015LIL10106/document.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

La méthode Lattice Boltzmann (LBM) est une alternative viable à la simulation directe (DNS) des équations de Navier et Stokes, particulièrement en Mécanique des Fluides. La clé de son succès se situe dans l’exactitude, la simplicité et la propriété conforme de parallélisation de l’algorithme stream-collision. L’inconvénient majeur de cette méthode provient de la limitation aux mailles cubiques spatialement uniformes. Pour y remédier, plusieurs extensions de la LBM aux mailles non-homogènes ont été proposées. Ces techniques ont été revisitées dans la thèse. La revue de maillage montre que la meilleure technique de raffinement remplit certains critères: elle doit satisfaire aux lois de conservation et doit être stable. Elle suggère l’adoption des approches de type Volumes Finis (FV LBM). Une revue de ces techniques a permis de conclure que bien qu’intéressantes, elles présentent de nombreux inconvénients. Cette étude présente une méthode de discrétisation de type FV pour Lattice Boltzmann de haute précision et avec un faible coût de calcul. Afin d’évaluer la performance de la méthode FV nous effectuons une comparaison systématique axée sur la précision et les performances de calcul avec la méthode de Lattice Boltzmann standard (ST). En particulier, nous cherchons à clarifier si et dans quelles conditions l’algorithme proposé et plus généralement tout algorithme FV peut être considéré comme la méthode de choix pour les simulations en Mécanique des Fluides. Nous présentons la première simulation des écoulements convectifs à haut nombre de Rayleigh réalisée avec une méthode Lattice Boltzmann de type FV avec des mailles réduites près de la paroi
Lattice Boltzmann Method (LBM) has become a viable alternative to Navier-Stokes Direct Numerical Simulations (DNS) in fluid dynamics research. The key of this success is the accuracy/simplicity and parallelization compliant property of the stream-collision algorithm. One shortcoming however, comes from the limitation to spatially uniform cubic grids. To overcome this, several LBM extension to non-homogeneous grids have been proposed. These techniques have been reviewed in this thesis. Such review suggests that a better refinement technique should fulfill some properties: obey conservation laws and be stable. This suggests a pathway to adopt Finite Volume approaches (FV LBM). A review on such volumetric approach to LBM concludes that although interesting, at present such methods suffer from several drawbacks. In this study, a new FV discretization method for the Lattice Boltzmann equation that combines high accuracy with limited computational cost is presented. In order to assess the performance of the FV method we carry out a systematic comparison, focused on accuracy and computational performances, with the standard streaming (ST) Lattice Boltzmann equation algorithm. In particular we aim at clarifying whether and in which conditions the proposed algorithm, and more generally any FV algorithm, can be taken as the method of choice in fluid-dynamics LB simulations. We report the first successful simulation of high-Rayleigh number convective flow performed by a Lattice Boltzmann FV based algorithm with wall grid refinement

35

Feng, Yongliang. "Multiscale Simulation Using Thermal Lattice Boltzmann Method with Turbulence Effects." Thesis, Paris 6, 2016. http://www.theses.fr/2016PA066254.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

La simulation numérique de l’écoulement des fluides et du transfert dechaleur dans les phénomènes multi-échelles est encore très difficile avecles méthodes numériques conventionnelles, e.g. la méthode de Volumes Finis(FVM) etc. Récemment développée pour simuler les écoulements desfluides, le transfert de chaleur et des phénomènes physiques complexes, laméthode de Lattice Boltzmann (LBM) est basée sur la théorie cinétiquedu fluide, qui possède de nombreuse caractéristiques distinctives. Afind’élargir le champ d’application de LBM, cette thèse doctorale a mené destravaux de recherches systématiques sur la combinaison entre LBM et lesméthodes macroscopiques et sur les modèles thermiques et la simulation dela turbulence en utilisant LBM. Les principales contributions de cette thèsesont: 1. Un couplage multi-échelles LBM-FVM est construit pour les écoulementsdu fluide instationnaire et un opérateur de reconstruction g´en´erale entreLBM et FVM est proposé pour le transfert de l’information; 2. Un modèle thermique 3D de LBM est développé pour les écoulements compressibles thermiques à faible nombre de Mach, et un modèle de LBM entièrement compressible avec factorisation symétrique est proposé pour simuler les écoulements fortement compressibles; 3. Un schéma asymptotique de volumes finis LBM et un schéma de LBM basé sur propagation fractionnaire et collision à demi-étape sont proposés pour simuler les écoulements subsoniques à grande vitesse et transsoniques; 4. La simulation des grandes échelles (LES) turbulentes est effectuée et étudiée dans le cadre de LBM thermique. Un modèle de paroi utilisant LBM thermique est développé pour un écoulement à nombre de Reynolds élevé
The simulation of fluid flows and heat transfer of multiscale phenomena orprocesses is one of the most challenging domains from the theoretical aswell as the numerical modeling point of view. It is difficult to model andsimulate multiscale problems using conventional computational fluid dynamicsmethods. As an approach based on the mesoscopic kinetic equationfor fluids and has many distinctive features, the lattice Boltzmann method(LBM) is a recently developed method for simulating fluid flows, heat transferand complicated physical phenomena. However, the applications of latticeBoltzmann method in actual multiscale problem are still in explorationstage. In order to enlarge the application scope of lattice Boltzmann methodfor multiscale simulation, the present work has conducted systematic researchon combination of LBM and macroscopic methods, thermal lattice Boltzmann models and turbulence simulation using LBM. The major contributions of this dissertation are summarized as follows: 1. A multiscale coupling LBM-FVM is constructed for unsteady fluid flows and a general reconstruction operator between LBM and FVMis proposed for information transfer. 2. A three-dimensional thermal lattice Boltzmann model is developed for thermal compressible flows with variable density in low Machnumber limit. Further more, a fully compressible lattice Boltzmann model with factorization symmetry is proposed for simulating high compressible flow. 3. An asymptotic preserving finite volume scheme LBM and a fractional propagation half step collision LBM are proposed for simulating high subsonic and transonic flows. 4. Large eddy simulation for turbulence is studied in framework of thermallattice Boltzmann method. Wall modeled LES using thermalLBM is developed for high Reynolds number flow

36

Grissa, Kods. "Numerical and Experimental Study of Heat Pipes Used in Solar Applications." Thesis, Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique, 2018. http://www.theses.fr/2018ESMA0012/document.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

En raison de la tendance positives pour le développement durable, les systèmes solaires(capteurs solaires, concentrateur solaire, etc.) Intègrent (et demandent d'intégrer encore plus)intensivement les résidences et les industries. Dans ce contexte, les systèmes diphasiques comme le caloduc semblent être très efficaces en raison de leurs capacités élevées de transport de chaleur et de leur fonctionnement passif appliqués aux capteurs. Compte-tenu de la complexité des caloducs à structure poreuse dans ce type d'application, la plupart des systèmes existants sur le marché utilisent des thermosiphons. Ainsi, le besoin croissant de solutions de contrôle thermique fiables et plus efficaces croit rapidement pour de tels systèmes.Ce travail de thèse porte sur la caractérisation des performances des caloducs à structure poreuse utilisés dans les applications solaires. Une étude numérique a été réalisée pour modéliser et simuler le comportement d'un caloduc typique à l'aide de la méthode Lattice Boltzmann. Une étude expérimentale a également été réalisée pour caractériser les performances de trois prototypes testes dans différentes conditions (température du condenseur, puissance introduite et angle d'inclinaison). Les effets induits par plusieurs paramètres incluant le taux de remplissage, le fluide de travail et la symétrie de la puissance appliquée sur les performances de ces dispositifs ont également été étudiés. En particulier, l'asymétrie du chauffage induit un assèchement plus précoce, toutes choses étant égales par ailleurs. L'inclinaison optimale est également déterminée là où est équilibrée la chaleur solaire maximale disponible et reçue par le caloduc et l'écoulement de liquide assisté par gravité à l'intérieur de ce dispositif
Owing to the trend to development sustainability, solar systems (solar collector, solar concentrator, etc.) Are integrating (and asked to integrate even more) intensively residences and industries. In this context, two-phase systems like heat pipe seem highly effective because of their high heat transport capabilities and their passive operation in collectors’ technology. In view of the complexity of the heat pipes with a porous structure in this kind of application,most of the existing systems on the market use thermosyphons. Thus, the growing need of reliable and more efficient thermal control solutions is increasing for such systems. This thesis work focuses on the performance characterization of heat pipes with porous structure used in solar applications. A numerical study has been performed to model and simulate the behavior of a typical heat pipe using the Lattice Boltzmann method. An experimental study has also been done to characterize the performance of three prototypes tested under different conditions (condenser temperature, heat input and inclination angle). The effects induced by several parameters including the filling rate, working fluid and symmetry of the applied heat on the performance of these devices has also been investigated. In particular, heating asymmetry is found to induce dry-out earlier, all other things being equal. Optimal inclination is also determined where is balanced the maximum solar heat available and received by the heat pipe and the gravity-assisted liquid flow inside that device

37

Sjölund, Johannes. "Real-time Thermal Flow Predictions for Data Centers : Using the Lattice Boltzmann Method on Graphics Processing Units for Predicting Thermal Flow in Data Centers." Thesis, Luleå tekniska universitet, Institutionen för system- och rymdteknik, 2018. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:ltu:diva-70530.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

The purpose of this master thesis is to investigate the usage of the Lattice Boltzmann Method (LBM) of Computational Fluid Dynamics (CFD) for real-time prediction of indoor air flows inside a data center module. Thermal prediction is useful in data centers for evaluating the placement of heat-generating equipment and air conditioning. To perform the simulation a program called RAFSINE was used, written by Nicholas Delbosc at the University of Leeds, which implemented LBM on Graphics Processing Units (GPUs) using NVIDIA CUDA. The program used the LBM model called Bhatnagar-Gross-Krook (BGK) on a 3D lattice and had the capability of executing thermal simulations in real-time or faster than real-time. This fast rate of execution means a future application for this simulation could be as a predictive input for automated air conditioning control systems, or for fast generation of training data sets for automatic fault detection systems using machine learning. In order to use the LBM CFD program even from hardware not equipped with NVIDIA GPUs it was deployed on a remote networked server accessed through Virtual Network Computing (VNC). Since RAFSINE featured interactive OpenGL based 3D visualization of thermal evolution, accessing it through VNC required use of the VirtualGL toolkit which allowed fast streaming of visualization data over the network. A simulation model was developed describing the geometry, temperatures and air flows of an experimental data center module at RISE SICS North in Luleå, Sweden, based on measurements and equipment specifications. It was then validated by comparing it with temperatures recorded from sensors mounted in the data center. The thermal prediction was found to be accurate on a room-level within ±1° C when measured as the average temperature of the air returning to the cooling units, with a maximum error of ±2° C on an individual basis. Accuracy at the front of the server racks varied depending on the height above the floor, with the lowest points having an average accuracy of ±1° C, while the middle and topmost points had an accuracy of ±2° C and ±4° C respectively. While the model had a higher error rate than the ±0.5° C accuracy of the experimental measurements, further improvements could allow it to be used as a testing ground for air conditioning control or automatic fault detection systems.

38

Pazdniakou, Aliaksei. "Lattice models in porous media studies." Paris 6, 2012. http://www.theses.fr/2012PA066116.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

La thèse est consacrée à l'étude des ondes acoustiques et des écoulements à plusieurs phases en milieux poreux. Pour la simulation des écoulements, la méthode de Boltzmann sur réseau a été choisie. On utilise cette méthode pour simuler des écoulements à plusieurs phases ainsi que des ondes acoustiques dans un fluide. Cette méthode représente une approche alternative à la description du mouvement de fluide basée sur la théorie cinétique des gaz. Pour simuler les ondes acoustiques en solide élastique, le modèle LSM (Lattice spring model) a été choisi. Dans le cadre du LSM, le milieu solide est remplacé par un réseau cubique. Les noeuds de réseau sont liés par des ressorts de deux types. Les équations dynamiques obtenues correspondent à celles de la théorie élastique. La méthode a été appliquée pour calculer les célérités des ondes de compression et de cisaillement dans des milieux poreux reconstruits pour différentes fréquences et différentes valeurs de porosité. Les deux modèles (LBM et LSM) ont été couplés par les conditions aux limites pour l'étude des ondes acoustiques en milieu poreux saturé de liquide. Il existe deux approches principales pour simuler des ondes acoustiques en milieu poreux saturé de liquide en utilisant notre modèle (LBM+LSM). La première est basée sur la théorie d’homogénéisation et la deuxième sur la modélisation des ondes acoustiques en temps réel. Les deux méthodes ont été appliquées pour calculer les célérités des ondes acoustiques dans des milieux poreux reconstruits saturés. Les résultats ont été analysés. Les codes ont été systématiquement parallélisés sous OpenMP de manière à réduire significativement les temps de restitution
The thesis adresses the study of acoustic waves and multiphase flows in porous media. For the simulation of fluid flows, the lattice Boltzmann method is selected. The method is used for simulation of multiphase flows as well as for acoustic waves in a fluid. The method represents an alternative approach to the description of the fluid dynamics based on the kinetic theory of gases. In order to simulate acoustic waves in an elastic solid, the LSM (Lattice Spring model) is selected. In the framework of the LSM, the medium is replaced by a cubic lattice. The nodes of the lattice are connected by springs of two types. The obtained dynamic equations correspond to those of the theory of elasticity. The method is applied to calculate the compressional and shear wave velocities in reconstructed porous media for various frequencies and porosity values. The two models (LBM and LSM) are coupled by the boundary conditions in order to study acoustic waves in saturated porous media. Two principal approaches exist to simulate acoustic waves in saturated porous media using our coupled (LBM+LSM) model. The first is based on the homogenization theory and the second on the real time simulation of acoustic waves. The two methods are applied for calculation of the acoustic waves velocities in saturated reconstructed porous media. The results are systematically analysed. The codes are parallelized by using OpenMP in order to reduce significantly the program run time

39

Bechereau, Marie. "Élaboration de méthodes Lattice Boltzmann pour les écoulements bifluides à ratio de densité arbitraire." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLN059/document.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

Les extensions bifluides des méthodes Lattice Boltzmann à frontière libre utilisent généralement des pseudopotentiels microscopiques pour modéliser l'interface. Nous avons choisi d'orienter nos recherches vers une méthode Lattice Boltzmann à capture d'interface où la fraction massique d'un des deux fluides, inconnue, est transportée. De nombreux travaux ont montré les difficultés des méthodes Lattice Boltzmann à traiter des systèmes bifluides, et ce d'autant plus que le ratio de densité est important. Nous expliquerons l'origine de ces problèmes en mettant en évidence le manque de diffusion numérique pour capturer précisément les discontinuités de contact. Pour régler cet obstacle, nous proposerons une formulation Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) des méthodes Lattice Boltzmann. Cela permet de séparer le traitement des ondes matérielles de celui des ondes de pression. Une fois l'étape ALE terminée, une phase de projection ramène les variables sur la grille eulérienne de calcul initiale. Nous expliquons comment obtenir une procédure de projection ayant une précision d'ordre 2 et une interface fine et dépourvue d'oscillations. Il sera montré que la fraction massique satisfait un principe du maximum discret et qu'elle reste donc entre 0 et 1. Les simulations numériques sont en accord avec la théorie. Même si notre méthode n'est pour le moment utilisée que pour simuler des écoulements de fluides non visqueux (Equations d'Euler), nous sommes convaincus qu'elle pourra être étendue à des simulations d'écoulements bifluides visqueux
Two-fluid extensions of Lattice Boltzmann methods with free boundaries usually consider ``microscopic'' pseudopotential interface models. In this paper, we rather propose an interface-capturing Lattice Boltzmann approach where the mass fraction variable is considered as an unknown and is advected. Several works have reported the difficulties of LBM methods to deal with such two-fluid systems especially for high-density ratio configurations. This is due to the mixing nature of LBM, as with Flux vector splitting approaches for Finite Volume methods. We here give another explanation of the lack of numerical diffusion of Lattice Boltzmann approaches to accurately capture contact discontinuities. To fix the problem, we propose an arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) formulation of Lattice-Boltzmann methods. In the Lagrangian limit, it allows for a proper separated treatment of pressure waves and advection phenomenon. After the ALE solution, a remapping (advection) procedure is necessary to project the variables onto the Eulerian Lattice-Boltzmann grid.We explain how to derive this remapping procedure in order to get second-order accuracy and achieve sharp stable oscillation-free interfaces. It has been shown that mass fractions variables satisfy a local discrete maximum principle and thus stay in the range $[0,1]$. The theory is supported by numerical computations of rising bubbles (without taking into account surface tension at this current state of development).Even if our methods are currently used for inviscid flows (Euler equations) by projecting the discrete distributions onto equilibrium ones at each time step, we believe that it is possible to extend the framework formulation for multifluid viscous problems. This will be at the aim of a next work

40

Tekitek, Mohamed Mahdi. "Identification de modèles et de paramètres pour la méthode de Boltzmann sur réseau." Phd thesis, Université Paris Sud - Paris XI, 2007. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00207541.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

Cette thèse comporte trois parties: étude du schéma de Boltzmann sur réseau, schéma adjoint de Boltzmann sur réseau pour l'identification de paramètres et construction d'une couche parfaitement absorbante pour ce schéma.

La première partie introduit et analyse la méthode.

La deuxième partie décrit une approche variationnelle pour l'assimilation de paramètres relatifs à la méthode du gaz de Boltzmann sur réseau. Une méthode adjointe discrète en temps est développée. L'algorithme est d'abord testé sur un écoulement de type Poiseuille linéaire (problème de Stokes), puis il est appliqué à un problème non linéaire. Des résultats encourageants sont obtenus pour un et deux paramètres inconnus.

Finalement la troisième partie décrit une adaptation des couches absorbantes de Bérenger. Il en résulte un modèle d'automate de Boltzmann à neuf vitesses discrètes. Une analyse des ondes réfléchies est ensuite réalisée entre deux milieux de Boltzmann à une dimension, ce qui permet d'obtenir un équivalent des formules de Fresnel pour les schémas de Boltzmann et de proposer des modifications du schéma à l'interface pour annuler les ondes réfléchies. En deux dimensions, la même analyse d'ondes réfléchies met en évidence l'apparition de modes de Knudsen et des ondes transverses qui rendent l'analyse complexe.

41

Grondeau, Mikaël. "Modélisation des effets de sillage d'une hydrolienne avec la méthode de Boltzmann sur réseau." Thesis, Normandie, 2018. http://www.theses.fr/2018NORMC257/document.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

Dans un contexte mondial où l’accès à l’énergie est un problème de premier plan, l’exploitation des courants de marée avec des hydroliennes revête un intérêt certain. Les écoulements dans les zones à fort potentiel énergétique propices à l’installation d’hydroliennes sont souvent fortement turbulents. Or la turbulence ambiante impacte fortement l’hydrodynamique avoisinante et le fonctionnement de la turbine. Une prédiction fine de la turbulence et du sillage est fondamentale pour l'optimisation d'une ferme d'hydroliennes. Un modèle de simulation de l'écoulement autour de la turbine doit donc être précis et tenir compte de la turbulence ambiante. Un outil basé sur la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) est utilisé à ces fins, en association avec une approche de simulation des grandes échelles (LES). La LBM est une méthode instationnaire de modélisation d’écoulement fluide. Une méthode de génération de turbulence synthétique est implémentée afin de prendre en compte la turbulence ambiante des sites hydroliens. Les géométries complexes, potentiellement en mouvement, sont modélisées avec la méthode des frontières immergées (IBM). La mise en place d’un modèle de paroi est réalisée afin de réduire le cout en calcul du modèle. Ces outils sont ensuite utilisés pour modéliser en LBM-LES une hydrolienne dans un environnement turbulent. Les calculs, réalisés à deux taux de turbulence différents, sont comparés avec des résultats expérimentaux et des résultats NS-LES. Les modélisations LBM-LES sont ensuite utilisées pour analyser le sillage de l'hydrolienne. Il est notamment observé qu'un faible taux de turbulence impacte de manière significative la propagation des tourbillons de bout de pale
In a global context where access to energy is a major problem, the exploitation of tidal currents with tidal turbines is of particular interest. Flows in areas with high energy potential suitable for the installation of tidal turbines are often highly turbulent. However, the ambient turbulence has a strong impact on the surrounding hydrodynamics and the turbine operation. A precise prediction of turbulence and wake is fundamental to the optimization of a tidal farm. A numerical model of the flow around the turbine must therefore be accurate and take into account the ambient turbulence. A tool based on the Lattice Boltzmann Method (LBM) is used for this purpose, in combination with a Large Eddy Simulation (LES) approach. The LBM is an unsteady method for modelling fluid flows. A synthetic turbulence method is implemented to take into account the ambient turbulence of tidal sites. Complex geometries, potentially in motion, are modelled using the Immersed Boundary Method (IBM). The implementation of a wall model is carried out in order to reduce the cost of the simulations. These tools are then used to model a turbine in a turbulent environment. The calculations, performed at two different turbulence rates, are compared with experimental and NS-LES results. The LBM-LES models are then used to analyze the wake of the turbine. In particular, it is observed that a low turbulence rate has a significant impact on the propagation of tip-vortices

42

Pepona, Marianna. "Modèle de frontières immergées pour la simulation d'écoulements de fluide en interaction avec des structures poreuses." Thesis, Aix-Marseille, 2016. http://www.theses.fr/2016AIXM4349/document.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

Un large spectre d’applications en ingénierie est concerné par les écoulements de fluides en interaction avec des structures poreuses, allant de problèmes à petite échelle jusqu’à des problématiques de plus grande échelle. Ces structures poreuses, souvent à géométries complexes, peuvent se déplacer ou se déformer en réponse au forçage exercé par l’écoulement environnant.Le but de ce travail est de proposer un modèle numérique pour la simulation macroscopique d’écoulements de fluide interagissant avec des milieux poreux mobiles à géométries complexes, qui soit facile d’implémentation et pouvant être utilisé dans une large gamme d’applications. Pour atteindre cet objectif, la méthode de Lattice Boltzmann est utilisée pour résoudre l’écoulement dans des milieux poreux à l’échelle d’un volume représentatif élémentaire. Pour l’implémentation du mouvement désiré, le concept de frontières immergées est adopté. Dans ce contexte, un nouveau modèle est proposé pour traiter des milieux poreux en volume, dont la résistance à l’écoulement environnant est modélisé par la loi de Brinkman-Forchheimer-Darcy étendue.L’algorithme est d’abord testé sur l’écoulement à travers un cylindre fixe. La simplicité de ce cas test académique permet de caractériser finement la précision de la méthode. Le modèle est ensuite utilisé pour simuler des écoulements de fluide autour et à travers des corps poreux mobiles, à la fois pour des géométries confinées et pour des écoulements ouverts. L’invariance Galiléenne des équations moyennées macroscopiques gouvernant la dynamique du fluide est démontrée. D’excellents accords avec les résultats de référence sont obtenus pour les différents cas testés
A wide spectrum of engineering problems is concerned with fluid flows in interaction with porous structures, ranging from small length-scale problems to large ones. These structures, often of complex geometry, may move/deform in response to the forces exerted by the surrounding flow. Despite the advancements in computational fluid dynamics, the numerical simulation of such configurations - a valuable tool for the study of the flow physics involved - remains a challenging task.The aim of the present work is to propose a numerical model for the macroscopic simulation of fluid flows interacting with moving porous media of complex geometry, that is easy to implement and can be used in a range of applications. To achieve this, the Lattice Boltzmann method is employed for solving the flow in porous media at the representative elementary volume scale. For the implementation of the desired body motion, the concept of the Immersed Boundary method is adopted. In this context, a novel model is proposed for dealing with moving volumetric porous media, whose resistance to the surrounding flow obeys the Brinkman-Forchheimer-extended Darcy law. The algorithm is initially tested for flow past a static cylinder. The simplicity of this academic test case allows us to assess in detail the accuracy of the proposed method. The model is later used to simulate fluid flows around and through moving porous bodies, both in a confined geometry and in open space. We are able to demonstrate the Galilean invariance of the macroscopic volume-averaged flow governing equations. Excellent agreement with reference results is obtained in all cases

43

Hosseini, Seyed Ali. "Development of a lattice Boltzmann-based numerical method for the simulation of reacting flows." Thesis, université Paris-Saclay, 2020. http://www.theses.fr/2020UPASC012.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

La méthode des réseaux de Boltzmann est une alternative efficace aux approches classiques de simulation des écoulements. Cette méthode peut potentiellement être étendue à des écoulements complexes, comme la combustion à nombre de Mach faible avec un grand nombre de variables, variation de température, propriétés variables et couvrant différentes échelles. Etant donné les variations importantes des paramètres de diffusion et les problèmes de stabilité de la méthode des réseaux de Boltzmann, le choix de l’opérateur de collision est de la plus haute importance. De plus, la méthode des réseaux de Boltzmann dans sa forme originale étant formulée pour des écoulements isothermes, les effets de dilatation doivent être introduits dans le solveur. Des composantes additionnelles pour modéliser le transport de variables telles que l’énergie et les espèces doivent être ajoutées au solveur fluide.Dans un premier temps, les propriétés numériques du solveur (en prenant en compte une multitude de modèles de collision) sont étudiées via des méthodes telles que l’analyse de von Neumann. L’étude couvre des modèles de collision comme l'opérateur de collision avec plusieurs temps de relaxation (MRT), le modèle régularisé, et l’effet du choix de la fonction d’équilibre notamment les différents ordres du développement d’Hermite ou l’équilibre entropique. Ensuite, deux différentes approches sont proposées pour l’introduction de la dilatation dans le solveur fluide : Une basée sur une décomposition d’échelle de la pression en pression thermo- et hydrodynamique et une basée sur un développement non-isotherme d’Hermite de la fonction d’équilibre. Un opérateur de collision approprié est aussi proposé pour cette dernière, afin de maximiser le domaine de stabilité linéaire. De plus, des modèles minimalistes adaptés aux équations de transport d’énergie et d’espèces basés sur la formulation des réseaux de Boltzmann sont proposés et validés. Contrairement aux solveurs dits de scalaires passifs, ces derniers ne sont pas limités à des densités et/ou capacités calorifiques constantes et prennent en compte des termes de couplage telles que la production de chaleur par dissipation visqueuse. Enfin, afin de valider le solveur dans son intégralité une multitude de cas, couvrant les flammes pré-mélangées et de diffusion, et des configurations en 1-, 2- et 3-D sont étudiés
The lattice Boltzmann (LB) method has emerged as an efficient alternative to classical methods for fluid flow simulation. It can also potentially be used for such complex flows as those involved in low Mach number combustion involving large numbers of field variables, temperature variations, variable properties and spanning multiple scales. Given the variations in diffusion parameters and existing stability issues in the LB, the choice of the collision operator is of the utmost importance. Furthermore, dilatation effects must be introduced as the original LB scheme was developed for isothermal flows. The flow solver has to be supplemented with components modeling balance equations for the energy and species mass fields.In the present work, first the LB solver (with plethora of collision operators) is analyzed using approaches like the von Neumann method. A variety of collision models including multiple relaxation, regularized, and equilibrium distribution functions, like different orders of the Hermite expansion, and the entropic equilibrium are considered. Then, two different approaches for introducing dilatation into the flow solver are proposed and validated. These approaches include one relying on a decomposition of pressure into a uniform thermodynamic and fluctuating hydrodynamic components, and a fully compressible formulation relying on a thermal Hermite expansion of the equilibrium. Appropriate collision operators, resulting on the widest stability domain for the latter are also proposed. In addition, minimalist LB solvers appropriate for the targeted flows are derived to model energy and species mass transport. Contrary to the classical passive scalar lattice Boltzmann models, the proposed formulations are not limited to constant specific heat capacity and/or density and include higher-order effects such as viscous dissipation heating. A variety of cases, covering premixed and diffusion flames, 1-, 2- and 3-D flows are then considered for validation of the overall solvers

44

Corre, Samuel. "Méthodes de Boltzmann sur réseau pour la simulation numérique de certains systèmes d'advection-réactiondiffusion provenant de la physique et de la biologie, et analyse mathématique et numérique de problèmes issus du domaine biomédical cardio-vasculaire." Thesis, Rennes, INSA, 2018. http://www.theses.fr/2018ISAR0022/document.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

L'objectif de cette thèse est de développer et d'analyser des techniques numériques basées sur la méthode e Boltzmann sur réseau (LBM) pour résoudre des systèmes non linéaires de type advection-réaction-diffusion provenant de la physique et de la biologie. Avec la LBM, des problèmes portant sur des quantités moyennées densité, potentiel, vitesse, etc) sont exprimés à l'échelle particulaire. Nous approchons la solution de l'équation e Boltzmann relative au comportement d'un champs de particules puis nous recomposons les quantités moyennées solutions des équations traitées. Dans un premier temps, nous développons un cadre général approprié permettant de traiter plusieurs types de systèmes non linéaires (paraboliques, elliptiques, ou couplées ' variables réelles ou complexes), avec des applications à des modèles tels que Burger-Fisher, écoulement de fluides en milieu poreux, Helmoltz, Patlar-Keller-Segel, ou encore Schrodinger. Pour chaque problème, nous analysons le comportement asymptotique de la méthode, quand le nombre de Knudsen tend vers zéro (par le développement de Chapman-Enskog) et nous effectuons l'analyse numérique de la convergence et de la stabilité de la méthode. Dans un deuxième temps, nous nous intéressons à un problème réaliste d'électrophysiologie cardio-vasculaire. Nous adaptons la méthode LBM développée pour approcher les solutions d'un système de type bidomaine permettant de simuler le comportement de potentiels électriques et les interactions ioniques ans la région du myocarde. L'étude et la modélisation d'un tel type de problème est un enjeu sanitaire majeur ans le traitement des pathologies liées par exemple à l'arythmie cardiaque. Notre but étant d'obtenir des comportements réalistes, nous introduisons au sein de ce système bidomaine des opérateurs de retard afin de tenir compte des temps de retard dans les transmissions de signaux. Une fois l'existence et l'unicité de la solution démontrées, nous proposons une série de simulations avec des paramètres physiques et biologiques réalistes afin de valider la méthode proposée
In this thesis, we develop and analyze numerical techniques based on the lattice Boltzmann method LBM) for solving systems of nonlinear advection-diffusion-reaction equations from physics and biology. Wi BM, problems relating to averaged quantities (density, potential, velocities, etc.) are expressed at the particle scale. We approach the solution of Boltzmann equation relating to the behavior of a particle field and then we recompose the averaged quantities solutions of treated systems. In the first part, we develop an appropriate general framework to deal with several types of non-linear systems (parabolic, elliptic, or coupled, with real or complex variables), with applications to models such as Burger-Fisher, fluid flow in a porous medium, Helmoltz, Patlar-Keller-Segel, or Schrodinger. For each problem, we analyze the asymptotic behavior of the method, when the number of Knudsen tends to zero (by the development of Chapman-Enskog) and we perform the numerical analysis of convergence and stability of the method. In the second part, we have taken an interest in a realistic problem of cardio-vascular electrophysiology. We adapt the developed LBM method to approach e solutions of a bidomain type system for simulating the behavior of electrical potentials and ionic interactions in myocardial region. The study and modeling of this type of problem is a major health issue in the treatment of pathologies related, for example, to cardiac arrhythmia. Since our goal is to obtain realistic behaviors, we introduce time-delay operators into this coupled system in order to take into account delay in signal transmissions. Once the existence and uniqueness of solution have been demonstrated, we propose a series of simulations with realistic physical and biological parameters to validate the proposed method

45

Jadidi, Mansoor. "Numerical and Experimental Model of Healthy and Damaged Red Blood Cell Trajectories in Micro-channels." Thesis, Griffith University, 2023. http://hdl.handle.net/10072/421347.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

Motivation: Red blood cells (RBCs) are the most common cells in the blood due to their high concentration. The RBC has a deformable membrane enclosing a jelly-like fluid known as the cytosol. For many years, the dynamics of RBCs has attracted growing interest both numerically and experimentally in various fields of research on biological systems. Owing to their high deformability, RBCs exhibit complex dynamic behaviours in micro-vessels where Reynolds numbers (Re) are less than unity (Re < 1). First, a healthy RBC at a low shear rate or a high viscosity contrast (λ - defined as the ratio of viscosities between RBC cytosol and external fluid), may tumble, i.e., the whole RBC rotates continuously in the original shape like a rigid body. Second, at a high shear rate or a low viscosity contrast (λ), the RBC may exhibit a tank-treading motion, i.e., its membrane rotates around the cytosol which maintains a fixed angle with respect to the flow direction. Finally, a healthy RBC migrates in the lateral direction towards the micro-vessel axis while moving in the longitudinal direction (downstream) of a micro-vessel. Under physiological conditions, the RBC experiences a varying range of shear stresses (typically in the range of 1-10 Pa) in the circulatory system without exhibiting any physical signs of mechanical damage. Upon exposure to high shear stresses, such as those present within mechanical circulatory support, RBCs exhibit irreversible functional impairment called sub-haemolytic/sub-lethal damage. Sub-haemolytically damaged RBCs exhibit impaired mechanical properties that substantially alter bulk flow behaviour when compared with healthy RBCs. However, there has been little attention directed toward characterizing sub-haemolytic damage in literature. For better understanding, it is necessary to have a reliable model to predict the dynamics of sub-haemolytically damaged RBCs in micro-vessels in comparison with healthy RBCs. Methods: Highly-efficient numerical approaches have been developed to investigate blood flow, with particular emphasis on the motion and deformation of RBCs under shear flow. Among these methods, the integration of the lattice Boltzmann method (LBM) and immersed boundary method (IBM) has received considerable attention. In this dissertation, a 2D in-house generated algorithm based on the LBM-IBM was utilised for the numerical simulations. Moreover, a spring-based model was applied to simulate the elastic behaviour of the RBC membrane. Finally, a microfluidic experimental system including flow control, image capture, and data acquisition was established to validate the numerical results with the experimental results. Goal: The main focus of this dissertation was to establish a 2D LBM-IBM coupled with a spring-based model to simulate the trajectory of both healthy RBC and damaged RBC in Poiseuille flow in low Reynolds numbers (Re < 1), in which the numerical results are compared with the experimental ones to allow for model validation. The second aim of this study was to numerically simulate the tumbling and tank-treading-like motion of a single RBC (healthy and damaged) in a micro-channel. Finally, the third aim was to numerically simulate the effect of the viscosity contrast (λ) on the trajectory of an RBC in a micro-channel. λ is one of the important factors that can severely affect RBC dynamics and cell deformation in a shear flow. Because of computational complexity, little effort has been made to numerically model the effect of λ on RBC dynamics in flow in the literature, for this reason, most of the current simulation studies assume for simplicity the viscosity contrast of unity. Results: Overall, the numerical results indicated a reasonable agreement with the observed experimental results. However, the numerical simulation predicts a larger migration (1.81 μm for the healthy RBC and 0.96 μm for the damaged RBC) compared to the experimental tests (1.20 μm for the healthy RBC and 0.41 μm for the damaged RBC). Moreover, the experimental results showed that at a certain distance from the entrance of the micro-channel, the RBCs have a rolling motion like a wheel but without lateral migration. Due to the deformability of the RBCs, this motion is unstable so that later on, the RBCs migrate laterally toward the centreline of the micro-channel. The results also showed that the distance at which rolling motion happens is greater for the damaged RBCs (~ 150 μm) compared to the healthy RBCs (~ 25 μm) because the damaged cells deform less. The numerical results confirm this result. It can be seen from the numerical results that the healthy RBC experiences the tank-treading motion compared to the damaged RBC that exhibits the tumbling motion. Furthermore, the numerical results indicated a significant impact on the RBC trajectory when λ = 5 compared to λ = 1. The higher viscosity contrast of 5 has less lift (5.06 μm) in comparison with the lower viscosity contrast of 1 (6.56 μm). In addition, for a fixed viscosity contrast λ of 10, as the rigidity of the RBC increases, its final lateral and longitudinal displacements decrease.
Thesis (PhD Doctorate)
Doctor of Philosophy (PhD)
School of Eng & Built Env
Science, Environment, Engineering and Technology
Full Text

46

Horstmann, Tobias. "Méthodes numériques hybrides basées sur une approche Boltzmann sur réseau en vue de l'application aux maillages non-uniformes." Thesis, Lyon, 2018. http://www.theses.fr/2018LYSEC027/document.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

Malgré l'efficacité informatique et la faible dissipation numérique de la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) classique reposant sur un algorithme de propagation-collision, cette méthode est limitée aux maillages cartésiens uniformes. L'adaptation de l'étape de discrétisation à différentes échelles de la mécanique des fluides est généralement réalisée par des schémas LBM à échelles multiples, dans lesquels le domaine de calcul est décomposé en plusieurs sous-domaines uniformes avec différentes résolutions spatiales et temporelles. Pour des raisons de connectivité, le facteur de résolution des sous-domaines adjacents doit être un multiple de deux, introduisant un changement abrupt des échelles spatio-temporelles aux interfaces. Cette spécificité peut déclencher des instabilités numériques et produire des sources de bruit parasite rendant l'exploitation de simulations à finalités aéroacoustiques impossible. Dans la présente thèse, nous avons d'abord élucidé le sujet du raffinement de maillage dans la LBM classique en soulignant les défis et les sources potentielles d'erreur. Par la suite, une méthode de Boltzmann sur réseau hybride (HLBM) est proposée, combinant l'algorithme de propagation-collision avec un algorithme de flux au sens eulérien obtenu à partir d'une discrétisation en volumes finis des équations de Boltzmann à vitesse discrète. La HLBM combine à la fois les avantages de la LBM classique et une flexibilité géométrique accrue. La HLBM permet d'utiliser des maillages cartésiens non-uniformes. La validation de la méthode hybride sur des cas tests 2D à finalité aéroacoustique montre qu'une telle approche constitue une alternative viable aux schémas Boltzmann sur réseau à échelles multiples, permettant de réaliser des raffinements locaux en H. Enfin, un couplage original, basé sur l'algorithme de propagation-collision et une formulation isotherme des équations de Navier-Stokes en volumes finis, est proposé. Une telle tentative présente l'avantage de réduire le nombre d'équations du solveur volumes finis tout en augmentant la stabilité numérique de celui-ci, en raison d'une condition CFL plus favorable. Les deux solveurs sont couplés dans l'espace des moments, où la solution macroscopique du solveur Navier-Stokes est injectée dans l'algorithme de propagation-collision à l'aide de la collision des moments centrés. La faisabilité d'un tel couplage est démontrée sur des cas tests 2D, et les résultas obtenus sont comparés avec la HLBM
Despite the inherent efficiency and low dissipative behaviour of the standard lattice Boltzmann method (LBM) relying on a two step stream and collide algorithm, a major drawback of this approach is the restriction to uniform Cartesian grids. The adaptation of the discretization step to varying fluid dynamic scales is usually achieved by multi-scale lattice Boltzmann schemes, in which the computational domain is decomposed into multiple uniform subdomains with different spatial resolutions. For the sake of connectivity, the resolution factor of adjacent subdomains has to be a multiple of two, introducing an abrupt change of the space-time discretization step at the interface that is prone to trigger instabilites and generate spurious noise sources that contaminate the expected physical pressure signal. In the present PhD thesis, we first elucidate the subject of mesh refinement in the standard lattice Boltzmann method and point out challenges and potential sources of error. Subsequently, we propose a novel hybrid lattice Boltzmann method (HLBM) that combines the stream and collide algorithm with an Eulerian flux-balance algorithm that is obtained from a finite-volume discretization of the discrete velocity Boltzmann equations. The interest of a hybrid lattice Boltzmann method is the pairing of efficiency and low numerical dissipation with an increase in geometrical flexibility. The HLBM allows for non-uniform grids. In the scope of 2D periodic test cases, it is shown that such an approach constitutes a valuable alternative to multi-scale lattice Boltzmann schemes by allowing local mesh refinement of type H. The HLBM properly resolves aerodynamics and aeroacoustics in the interface regions. A further part of the presented work examines the coupling of the stream and collide algorithm with a finite-volume formulation of the isothermal Navier-Stokes equations. Such an attempt bears the advantages that the number of equations of the finite-volume solver is reduced. In addition, the stability is increased due to a more favorable CFL condition. A major difference to the pairing of two kinetic schemes is the coupling in moment space. Here, a novel technique is presented to inject the macroscopic solution of the Navier-Stokes solver into the stream and collide algorithm using a central moment collision. First results on 2D tests cases show that such an algorithm is stable and feasible. Numerical results are compared with those of the previous HLBM

47

Vienne, Lucien. "Simulation of multi-component flows by the lattice Boltzmann method and application to the viscous fingering instability." Thesis, Paris, CNAM, 2019. http://www.theses.fr/2019CNAM1257/document.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

La méthode de Boltzmann sur réseau est une formulation discrète particulière de l'équation de Boltzmann. Depuis ses débuts, il y a trente ans, cette méthode a gagné une certaine popularité, et elle est maintenant utilisée dans presque tous les problèmes habituellement rencontrés en mécanique des fluides notamment pour les écoulements multi-espèces. Dans le cadre de ce travail, une force de friction intermoléculaire est introduite pour modéliser les interactions entre les molécules de différent types causant principalement la diffusion entre les espèces. Les phénomènes de dissipation visqueuse (collision usuelle) et de diffusion moléculaire (force de friction intermoléculaire) sont séparés et peuvent être ajuster indépendamment. Le principal avantage de cette stratégie est sa compatibilité avec des optimisations de la collision usuelle et les opérateurs de collision avancés. Adapter un code mono-espèce pour aboutir à un code multi-espèces est aisé et demande beaucoup moins d’effort comparé aux précédentes tentatives. De plus, il n’ y a pas d’approximation du mélange, chaque espèce a ses propres coefficients de transport pouvant être calculés à l’aide de la théorie cinétique des gaz. En général, la diffusion et la convection sont vus comme deux mécanismes séparés : l’un agissant sur la masse d’une espèce, l’autre sur la quantité de mouvement du mélange. En utilisant une force de friction intermoléculaire, la diffusion et la convection sont couplés par l’intermédiaire la quantité de mouvement de chaque espèce. Les mécanismes de diffusion et de convection sont intimement liés dans de nombreux phénomènes physique tel que la digitation visqueuse.L’instabilité de digitation visqueuse est simulée en considérant dans un milieu poreux deux espèces dans des proportions différentes soit un mélange moins visqueux déplaçant un mélange plus visqueux. Les principaux moteurs de l’instabilité sont la diffusion et le contraste de viscosité entre les espèces. Deux stratégies sont envisagées pour simuler les effets d’un milieu poreux. Les méthodes de rebond partiel et de force de Brinkman bien que basées sur des approches fondamentalement différentes donnent dans notre cas des résultats identiques. Les taux de croissance de l’instabilité calculés à partir de la simulation coïncident avec ceux obtenus à partir d’analyses de stabilité linéaire. L’évolution de la longueur de mélange peut être divisée en deux étapes dominées d’abord par la diffusion puis par la convection. La physique de la digitation visqueuse est ainsi correctement simulée. Toutefois, les effets de diffusion multi-espèces ne sont généralement pas pris en compte lors de la digitation visqueuse de trois espèces et plus. Ces derniers ne sont pas négligeable puisque nous mettons en avant une configuration initialement stable qui se déstabilise. La diffusion inverse entraîne la digitation dont l’impact dépend de la diffusion entre les espèces
The lattice Boltzmann method (LBM) is a specific discrete formulation of the Boltzmann equation. Since its first premises, thirty years ago, this method has gained some popularity and is now applied to almost all standard problems encountered in fluid mechanics including multi-component flows. In this work, we introduce the inter-molecular friction forces to take into account the interaction between molecules of different kinds resulting primarily in diffusion between components. Viscous dissipation (standard collision) and molecular diffusion (inter-molecular friction forces) phenomena are split, and both can be tuned distinctively. The main advantage of this strategy is optimizations of the collision and advanced collision operators are readily compatible. Adapting an existing code from single component to multiple miscible components is straightforward and required much less effort than the large modifications needed from previously available lattice Boltzmann models. Besides, there is no mixture approximation: each species has its own transport coefficients, which can be calculated from the kinetic theory of gases. In general, diffusion and convection are dealt with two separate mechanisms: one acting respectively on the species mass and the other acting on the mixture momentum. By employing an inter-molecular friction force, the diffusion and convection are coupled through the species momentum. Diffusion and convection mechanisms are closely related in several physical phenomena such as in the viscous fingering instability.A simulation of the viscous fingering instability is achieved by considering two species in different proportions in a porous medium: a less viscous mixture displacing a more viscous mixture. The core ingredients of the instability are the diffusion and the viscosity contrast between the components. Two strategies are investigated to mimic the effects of the porous medium. The gray lattice Boltzmann and Brinkman force models, although based on fundamentally different approaches, give in our case equivalent results. For early times, comparisons with linear stability analyses agree well with the growth rate calculated from the simulations. For intermediate times, the evolution of the mixing length can be divided into two stages dominated first by diffusion then by convection, as found in the literature. The whole physics of the viscous fingering is thus accurately simulated. Nevertheless, multi-component diffusion effects are usually not taken into account in the case of viscous fingering with three and more species. These effects are non-negligible as we showcase an initial stable configuration that becomes unstable. The reverse diffusion induces fingering whose impact depends on the diffusion between species

48

Louërat, Mathilde. "Modélisation par la méthode Lattice Boltzmann de la diffusion de chaleur et d’humidité dans des matériaux biosourcés à partir de leur morphologie 3D." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017SACLC006/document.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

Avec la performance thermique croissante des bâtiments, les codes de simulation utilisés en conception requièrent des données de plus en plus précises sur les matériaux de construction. De plus, l’utilisation de matériaux biosourcés qui sont hygroscopiques (leur teneur en eau s’équilibre avec l’air humide ambiant) est en pleine expansion. Leur conductivité thermique et leur diffusivité massique doivent ainsi être caractérisées précisément. Un facteur essentiel affectant ces propriétés est la microstructure des matériaux. Ce travail de thèse propose de prédire les propriétés macroscopiques d’épicéa et de panneaux de fibres de bois (matériaux hétérogènes et anisotropes) à partir de leur morphologie réelle 3D. Celle-ci est obtenue par micro-tomographie synchrotron aux rayons X, outil très performant pour caractériser la structure interne d’un matériau de façon non destructive. Un traitement d’images permet de segmenter les phases solide et gazeuse. La méthode numérique choisie pour modéliser la diffusion de chaleur et de masse est la méthode Lattice Boltzmann car elle est simple à implémenter et à paralléliser et qu’elle peut facilement traiter des morphologies complexes. Les conductivités thermiques et diffusivités massiques équivalentes sont calculées dans trois directions orthogonales pour chaque matériau. Les résultats mettent en évidence l’influence de la structure interne et la forte anisotropie des matériaux étudiés (rapport 2 entre les directions tangentielle et longitudinale du bois en thermique et 30 en massique). La conductivité thermique transversale du panneau léger est de 0,04 W m−1 K−1
As thermal performance of buildings is increasing, the simulation codes used during design require more accurate construction material data. Moreover, the use of bio-based materials which are hygroscopic (their moisture content balances with the ambient moist air) is booming. Their thermal conductivity and mass diffusivity must therefore be accurately characterized. A key factor affecting these properties is the microstructure of the materials. This work is dedicated to the prediction of macroscopic properties of spruce and fibreboards (heterogeneous and anisotropic materials) from their real 3D morphology. This is obtained by synchrotron X-ray microtomography, a powerful and nondestructive technique to characterize the internal structure of materials. Image processing allows the segmentation of the solid and gaseous phases. To model heat and mass diffusion, we choose the Lattice Boltzmann method because of its simple numerical development, suitability for parallel computing and easy processing of complex morphologies. The equivalent thermal conductivity and mass diffusivity are calculated in three orthogonal directions for each material. The results highlight the influence of the internal structure and the strong anisotropy of the materials studied (ratio of 2 between tangential and longitudinal directions of wood for heat diffusion and of 30 for mass diffusion). The transverse thermal conductivity of the lightweight board is about 0,04 W m−1 K−1

49

Ducasse, Marie laure. "Mélange d'un scalaire dans un jet turbulent : influence d'un obstacle." Thesis, Aix-Marseille, 2012. http://www.theses.fr/2012AIXM4094/document.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

Cette étude s'intéresse aux risques associés à la formation d'une ATmosphère EXplosive (ATEX) née d'une fuite d'hydrogène et de sa dispersion dans l'air ambiant. La fuite a été modélisée par un jet turbulent à densité variable libre, impactant sur une sphère de diamètre 20mm ou sur une plaque plane. Dans un premier temps, les champs de vitesses et de concentration ont été obtenus expérimentalement en proche sortie grâce à des mesures de Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) et de Fluorescence Induite par Plan Laser sur l'acétone (PLIF). La turbulence et le mélange ont été caractérisés pour le cas d'un jet libre ou en présence d'un obstacle. A partir de ces mesures, la structure générale de l'écoulement a été étudiée à partir des champs moyens et fluctuants par comparaison avec les données de la bibliographie. Puis, les données issues des fluctuations ont été analysées statistiquement par l'étude des fonctions de densité de probabilité du scalaire. Ces travaux se sont poursuivis avec la mise en relation des résultats expérimentaux avec ceux obtenues par des simulations numériques DNS (Direct Numerical Simulation) utilisant la méthode Boltzmann sur Réseau (LBM) d'un scalaire passif dans un jet d'air. Cette étude a permis de recueillir et d'analyser des données supplémentaires sur le mélange d'un jet à masse volumique variable libre ou impactant. Ces données sont directement applicables à la maitrise des risques liés aux fuites d'hydrogène
This study examines the risks associated with the formation of an explosive atmosphere from a hydrogen leak and its dispersion into the air. We considered the leak as a turbulent jet with density variable, free and impinging a $20,mm$ diameter sphere or a flat plate. Firstly, velocity and scalar fields have been measured experimentally in the near field through Particle Image Velocimetry (PIV) and acetone Planar Laser Induced Fluorescence (LIF). Turbulence and mixing have been defined in the case of free jet and impinging jet. From this measurements, the flow structure has been presented from the mean and fluctuating flow measurements by comparison with literature data. Next, the fluctuation scalar fields are studied with the probability density function method. Finally, a comparison has been conducted between the experiments and direct numerical simulation (DNS) of turbulence based on the lattice Boltzmann method (LBM) for passive scalar in air jet. This study is gathering and analyzing data on the mixing of jet with density variable, free and impinging jet. Such data is directly useful to identify and control risks incurred due to hydrogen leak

50

Bertolaccini, Jonathan. "Modélisation et simulation des écoulements de contre-courant de l'hélium superfluide par la méthode Boltzmann sur réseau." Thesis, Lyon, École normale supérieure, 2015. http://www.theses.fr/2015ENSL1063/document.

Full text

APA, Harvard, Vancouver, ISO, and other styles

Abstract:

Les propriétés thermiques exceptionnelles de l’hélium superfluide, ou He-II, sont mises à profit pour la réfrigération cryogénique d'installations de forte puissance, bien que les mécanismes physiques sous-jacents restent mal compris. L’He-II peut être décrit à l’échelle macroscopique comme la superposition de deux fluides en interaction : un fluide normal se comportant comme un liquide ordinaire, et un superfluide sans viscosité. En présence d’une source de chaleur, un contre-courant s’établit naturellement entre ces deux composantes. L’évacuation de la chaleur par ce contre-courant est limitée par l’apparition d’instabilités dans des conditions mal comprises ; la grande dispersion des données expérimentales ne permettant pas de discriminer les différents modèles théoriques. Cette thèse examine à l’aide de simulations numériques le rôle des conditions aux bords et du couplage mutuel entre les deux composantes de l’He-II dans le déclenchement des instabilités de contre-courant.Une approche originale de type Boltzmann sur réseau a été développée pour modéliser à l’échelle mésoscopique l'interaction entre les deux composantes de l’He-II. Un code reproduisant les écoulements de contre-courant en conduite 2d et 3d a été développé et validé. Les résultats obtenus indiquent des effets d’entrée de conduite amplifiés pour la composante superfluide, qui engendrent des pertes de charge anormalement élevées. Le mécanisme responsable de ces effets d’entrée a été étudié et il est montré qu'il peut fausser la détection du seuil de transition dans des conduites trop courtes ; ceci peut expliquer en partie la dispersion des données expérimentales.Pour illustrer la puissance de l'approche dans une géométrie complexe, le sillage d'un obstacle dans un écoulement de contre-courant a été simulé. La présence de zones de recirculation des deux côtés de l’obstacle, déjà observée expérimentalement, est retrouvée et expliquée par un mécanisme original de parois virtuelles
The exceptional thermal properties of superfluid helium, or He-II, are exploited to the cryogenic refrigeration of high power installations, although the underlying physical mechanisms remain poorly understood. The He-II can be described macroscopically as the superposition of two fluids in interaction: a normal fluid behaves as an ordinary liquid, and a superfluid without viscosity. In the presence of a heat source, a counterflow established between these two components. The heat dissipation by this counterflow is limited by the occurrence of instabilities in misunderstood condition; the wide dispersion of experimental data does not allow to discriminate between the different theoretical models. This thesis examines using numerical simulations the role of boundary conditions and the mutual coupling between the two components of the He-II in triggering instabilities in counterflow.An innovative lattice Boltzmann type approach was developed to model the mesoscopic scale interaction between the two components of the He-II. A code reproducing counterflow in 2D and 3D conducts has been developed and validated. The results obtained indicate amplified entrance effects for superfluid component, which generate abnormally high pressure drops. The head of these entrance effects mechanism has been studied and it is shown that it can distort the detection of the transition threshold in too short pipes; This may partly explain the dispersion of experimental data.To illustrate the power of the approach in a complex geometry, the wake of an obstacle in a counterflow was simulated. The presence of recirculation areas on both sides of the obstacle, already observed experimentally, is found and explained by a new mechanism using "virtual walls"

Dissertations / Theses on the topic 'LBM (Méthode de Lattice Boltzmann)'

Create a spot-on reference in APA, MLA, Chicago, Harvard, and other styles