Raffinement local adaptatif et méthodes multiniveaux pour la simulation d’écoulements multiphasiques

Local adaptative refinement and multilevel method for the simulations of multiphase flows

• Auteur / Autrice : Sebastian Minjeaud
• Direction : Franck Boyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Navier-Stokes, Équations de

Écoulement polyphasique

Éléments finis, Méthode des

Résumé

Ce manuscrit de thèse décrit certains aspects numériques et mathématiques liés à la simulation d’écoulements incompressibles triphasiques à l’aide d’un modèle à interfaces diffuses de type Cahn-Hilliard (les interfaces sont représentées par des zones d’épaisseur faible mais non nulle) couplé aux équations de Navier-Stokes. La discrétisation en espace est effectuée par approximation variationnelle de Galerkin et la méthode des éléments finis. La présence d’échelles très différentes dans le système (les épaisseurs d’interfaces étant très petites devant les tailles caractéristiques du domaine) suggère l’utilisation d’une méthode de raffinement local adaptatif. La procédure que nous avons mise en place, permet de prendre en compte implicitement les non conformités des maillages générés, pour produire in fine des espaces d’approximation éléments finis conformes. Le principe est de raffiner en premier lieu les fonctions de base plutôt que le maillage. Le raffinement d’une fonction de base est rendu possible par l’existence conceptuelle d’une suite emboîtée de grilles uniformément raffinées, desquelles sont déduites des relations “parents-enfants” reliant les fonctions de bases de deux niveaux successifs de raffinement. Nous montrons, en outre, comment exploiter cette méthode pour construire des préconditionneurs multigrilles. A partir d’un espace d’approximation éléments finis composite (contenant plusieurs niveaux de raffinement), il est en effet possible par “coarsening” de reconstruire une suite d’espaces emboîtés auxiliaires, permettant ainsi d’entrer dans le cadre abstrait multigrille. Concernant la discrétisation en temps, notre étude a commencé par celle du système de Cahn-Hilliard. Pour remedier aux problèmes de convergence de la méthode de Newton utilisée pour résoudre ce système (non linéaire), un schéma semi-implicite a été proposé. Il permet de garantir la décroissance de l’énergie libre discrète assurant ainsi la stabilité du schéma. Nous montrons l’existence et la convergence des solutions discrètes vers une solution faible du système. Nous poursuivons ensuite cette étude en donnant une discrétisation en temps inconditionnellement stable du modèle complet Cahn-Hilliard/Navier-Stokes. Un point important est que cette discrétisation ne couple pas fortement les systèmes de Cahn-Hilliard et Navier-Stokes, autorisant une résolution découplée des deux systèmes dans chaque pas de temps. Nous montrons l’existence des solutions discrètes et, dans le cas où les trois fluides ont la même densité, nous montrons leur convergence vers des solutions faibles. Nous étudions, pour terminer cette partie, diverses problématiques liées à l’utilisation de la méthode de projection incrémentale. Enfin, la dernière partie présente plusieurs exemples de simulations numériques, diphasiques et triphasiques, en deux et trois dimensions.

This manuscript describes some numerical and mathematical aspects of incompressible multiphase flows simulations with a diffuse interface Cahn-Hillliard/Navier-Stokes model (interfaces have a small but a positive thickness). The space discretisation is performed thanks to a Galerkin formulation and the finite elements method. The presence of different scales in the system (interfaces have a very small thickness compared to the characteristic lengths of the domain) suggests the use of a local adaptive refinement method. The algorithm, that we introduced, allows to implicitly handle the non conformities of the generated meshes to produce conformal finite elements approximation spaces. It consists in refining basis functions instead of cells. The refinement of a basis function is made possible by the conceptual existence of a nested sequence of uniformly refined grids from which “parent-child” relationships are deduced, linking the basis functions of two consecutive refinement levels. Moreover, we show how this method can be exploited to build multigrid preconditioners. From a composite finite elements approximation space, it is indeed possible to rebuild, by “coarsening”, a sequence of auxiliairy nested spaces which allows to enter in the abstract multigrid framework. Concerning the time discretization, we begin by the study of the Cahn-Hilliard system. A semi-implicit scheme is proposed to remedy to convergence failures of the Newton method used to solve this (non linear) system. It guarantees the decrease of the discrete free energy ensuring the stability of the scheme. We show existence and convergence of discrete solutions towards the weak solution of the system. We then continue this study by providing an inconditionnaly stable time discretization of the complete Cahn-Hilliard/Navier-Stokes model. An important point is that this discretization does not strongly couple the Cahn-Hilliard and Navier-Stokes systems allowing to independently solve the two systems in each time step. We show the existence of discrete solutions and, in the case where the three fluids have the same densities, we show their convergence towards weak solutions. We study, to finish this part, different issues linked to the use of the incremental projection method. Finally, the last part presents several examples of numerical simulations, diphasic and triphasic, in two and three dimensions.