Méthodes de domaine fictif pour des problèmes elliptiques avec conditions aux limites générales en vue de la simulation numérique d'écoulements diphasiques

par Isabelle Ramière

Thèse de doctorat en Mathématiques appliquées

Sous la direction de Philippe Angot.

Soutenue en 2006

à Aix-Marseille 1 .

Le président du jury était Frédéric Nataf.

Le jury était composé de Michel Belliard, Jean-Marc Hérard.

Les rapporteurs étaient Patrick Joly, Bertrand Maury.


  • Résumé

    Ce travail est dédié à la mise en place de deux méthodes originales de type domaine fictif pour la résolution de problèmes elliptiques (de type convection-diffusion) avec des conditions aux limites générales et éventuellement mixtes : Dirichlet, Robin ou Neumann. L’originalité de ces méthodes consiste à utiliser le maillage du domaine fictif, généralement non adapté à la géométrie du domaine physique, pour définir une frontière immergée approchée sur laquelle seront appliquées les conditions aux limites immergées. Un même schéma numérique générique permet de traiter toutes les conditions aux limites générales. Ainsi, contrairement aux approches classiques de domaine fictif, ces méthodes ne nécessitent ni l’introduction d’un maillage surfacique de la frontière immergée ni la modification locale du schéma numérique. Deux modélisations de la frontière immergée sont étudiées. Dans la première modélisation, appelée interface diffuse, la frontière immergée approchée est l’union des mailles traversées par la frontière originelle. Dans la deuxième modélisation, la frontière immergée est approchée par une interface dite fine s’appuyant sur les faces de cellules du maillage. Des conditions de transmissions algébriques combinant les sauts de la solution et du flux sont introduites sur cette interface fine. Pour ces deux modélisations, le problème fictif à résoudre ainsi que le traitement des conditions aux limites immergées sont détaillés. Un schéma aux éléments finis Q1 est utilisé pour valider numériquement le modèle à interface diffuse alors qu’un nouveau schéma aux volumes finis est développé pour le modèle à interface fine et sauts immergés. Chaque méthode est combinée avec un algorithme de raffinement de maillage multi-niveaux (avec résidu de solution ou du flux) autour de la frontière immergée afin d’améliorer la précision de la solution obtenue. Parallèlement, une analyse théorique de convergence en maillage non adapté au domaine physique a été effectuée pour une méthode d’éléments finis Q1. Cette étude démontre l’ordre de convergence des méthodes de domaine fictif mises en place. Parmi les nombreuses applications industrielles possibles, une simulation sur une maquette d’échangeur de chaleur dans les centrales nucléaires permet d’apprécier la performance des méthodes mises en oeuvre.

  • Titre traduit

    Fictitious domain methods for elliptic problems with general boundary conditions with an application to the numerical simulation of two phase flows


  • Résumé

    This work is dedicated to the introduction of two original fictitious domain methods for the resolution of elliptic problems (mainly convection-diffusion problems) with general and eventually mixed boundary conditions: Dirichlet, Robin or Neumann. The originality lies in the approximation of the immersed boundary by an approximate interface derived from the fictitious domain Cartesian mesh, which is generally not boundary-fitted to the physical domain. The same generic numerical scheme is used to impose the embedded boundary conditions. Hence, these methods require neither a surface mesh of the immersed boundary nor the local modification of the numerical scheme. We study two modellings of the immersed boundary. In the first one, called spread interface, the approximate immersed boundary is the union of the cells crossed by the physical immersed boundary. In the second one, called thin interface, the approximate immersed boundary lies on sides of mesh cells. Additional algebraic transmission conditions linking both flux and solution jumps through the thin approximate interface are introduced. The fictitious problem to solve as well as the treatment of the embedded boundary conditions are detailed for the two methods. A Q1 finite element scheme is implemented for the numerical validation of the spread interface approach while a new cell-centered finite volume scheme is derived for the thin interface approach with immersed jumps. Each method is then combined to multilevel local mesh refinement algorithms (with solution or flux residual)to increase the precision of the solution in the vicinity of the immersed interface. A convergence analysis of a Q1 finite element method with non-boundary fitted meshes is also presented. This study proves the convergence rates of the present methods. Among the various industrial applications, the simulation on a model of heat exchanger in french nuclear power plants enables us to appreciate the performances of the fictitious domain methods introduced here.

Autre version

Cette thèse a donné lieu à une publication en 2007 par [CCSD] à Villeurbanne

Méthodes de domaine fictif pour des problèmes elliptiques avec conditions aux limites générales en vue de la simulation numérique d'écoulements diphasiques

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  • Détails : 1 vol. (193 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. [187]-193

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  • Cote : 2006AIX11019
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  • PEB soumis à condition
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