Un nouveau modèle SPH incompressible : vers l’application à des cas industriels

par Agnes Leroy

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides

Sous la direction de Damien Violeau.

Le président du jury était Mikhaël Balabane.

Le jury était composé de Damien Violeau, Jean-Frédéric Gerbeau, Benedict Rogers.

Les rapporteurs étaient David Le Touzé, Thomas Rung.


  • Résumé

    Cette thèse a pour objet le développement d'un modèle numérique de simulation des fluides fondé sur la méthode Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). SPH est une méthode de simulation numérique sans maillage présentant un certain nombre d'avantages par rapport aux méthodes Eulériennes. Elle permet notamment de modéliser des écoulements à surface libre ou interfaces fortement déformées. Ce travail s'adresse principalement à quatre problématiques liées aux fondements de la méthode SPH : l'imposition des conditions aux limites, la prédiction précise des champs de pression, l'implémentation d'un modèle thermique et la réduction des temps de calcul. L'objectif est de modéliser des écoulements industriels complexes par la méthode SPH, en complément de ce qui peut se faire avec des méthodes à maillage. Typiquement, les problèmes visés sont des écoulements 3-D à surface libre ou confinés, pouvant interagir avec des structures mobiles et/ou transporter des scalaires, notamment des scalaires actifs (e.g. température). Dans ce but, on propose ici un modèle SPH incompressible (ISPH) basé sur une représentation semi-analytique des conditions aux limites. La technique des conditions aux limites semi-analytiques permet d'imposer des conditions sur la pression de manière précise et physique, contrairement à ce qui se fait avec des conditions aux limites classiques en SPH. Un modèle k-epsilon a été incorporé à ce nouveau modèle ISPH, à partir des travaux de Ferrand et al. (2013). Un modèle de flottabilité a également été ajouté, reposant sur l'approximation de Boussinesq. Les interactions entre flottabilité et turbulence sont prises en compte. Enfin, une formulation pour les frontières ouvertes dans le nouveau modèle est établie. La validation du modèle en 2-D a été réalisée sur un ensemble de cas-tests permettant d'estimer les capacités de prédiction du nouveau modèle en ce qui concerne les écoulements isothermes et non-isothermes, laminaires ou turbulents. Des cas confinés sont présentés, ainsi que des écoulements à surface libre (l'un d'eux incluant un corps solide mobile dans l'écoulement). La formulation pour les frontières ouvertes a été testée sur un canal de Poiseuille plan laminaire et sur deux cas de propagation d'une onde solitaire. Des comparaisons sont présentées avec des méthodes à maillage, ainsi qu'avec un modèle SPH quasi-incompressible (WCSPH) avec le même type de conditions aux limites. Les résultats montrent que le modèle permet de représenter des écoulements dans des domaines à géométrie complexe, tout en améliorant la prédiction des champs de pression par rapport à la méthode WCSPH. L'extension du modèle en trois dimensions a été réalisée dans un code massivement parallèle fonctionnant sur carte graphique (GPU). Deux cas de validation en 3-D sont proposés, ainsi que des résultats sur un cas simple d'application en 3-D

  • Titre traduit

    A new incompressible SPH model : towards industrial applications


  • Résumé

    In this work a numerical model for fluid flow simulation was developed, based on the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method. SPH is a meshless Lagrangian Computational Fluid Dynamics (CFD) method that offers some advantages compared to mesh-based Eulerian methods. In particular, it is able to model flows presenting highly distorted free-surfaces or interfaces. This work tackles four issues concerning the SPH method : the imposition of boundary conditions, the accuracy of the pressure prediction, the modelling of buoyancy effects and the reduction of computational time. The aim is to model complex industrial flows with the SPH method, as a complement of what can be done with mesh-based methods. Typically, the targetted problems are 3-D free-surface or confined flows that may interact with moving solids and/or transport scalars, in particular active scalars (e.g. the temperature). To achieve this goal, a new incompressible SPH (ISPH) model is proposed, based on semi-analytical boundary conditions. This technique for the representation of boundary conditions in SPH makes it possible to accurately prescribe consistent pressure boundary conditions, contrary to what is done with classical boundary conditions in SPH. A k-epsilon turbulence closure is included in the new ISPH model. A buoyancy model was also added, based on the Boussinesq approximation. The interactions between buoyancy and turbulence are modelled. Finally, a formulation for open boundary conditions is proposed in this framework. The 2-D validation was performed on a set of test-cases that made it possible to assess the prediction capabilities of the new model regarding isothermal and non-isothermal flows, in laminar or turbulent regime. Confined cases are presented, as well as free-surface flows (one of them including a moving body in the flow). The open boundary formulation was tested on a laminar plane Poiseuille flow and on two cases of propagation of a solitary wave. Comparisons with mesh-based methods are provided with, as well as comparisons with a weakly-compressible SPH (WCSPH) model using the same kind of boundary conditions. The results show that the model is able to represent flows in complex boundary geometries, while improving the pressure prediction compared to the WCSPH method. The extension of the model to 3-D was done in a massively parallel code running on a Graphic Processing Unit (GPU). Two validation cases in 3-D are presented, as well as preliminary results on a simple 3-D application case


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