Simulation of wall-bounded turbulent convective flows by finite volume Lattice Boltzmann method

par Kalyan Shrestha

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Gilmar Mompean et de Enrico Calzavarini.

Soutenue le 30-11-2015

à Lille 1 , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille) , en partenariat avec Laboratoire de mécanique de Lille (LML) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Simulation des écoulements convectifs turbulents à proximité des parois avec la méthode Lattice Boltzmann de type volume fini


  • Résumé

    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.


  • Résumé

    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.


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