Computational fluid-structure interaction with the moving immersed boundary method

par Shang-Gui Cai

Thèse de doctorat en Mécanique Avancée

Sous la direction de Abdellatif Ouahsine et de Hassan Smaoui.

Soutenue le 30-05-2016

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) , en partenariat avec Unité de recherche en mécanique acoustique et matériaux / Laboratoire Roberval (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Résolution de l’interaction fluide-structure par la méthode des frontières immergées mobiles


  • Résumé

    Dans cette thèse, une nouvelle méthode de frontières immergées a été développée pour la simulation d'interaction fluide-structure, appelée la méthode de frontières immergées mobiles (en langage anglo-saxon: MIBM). L'objectif principal de cette nouvelle méthode est de déplacer arbitrairement les solides à géométrie complexe dans un fluide visqueux incompressible, sans remailler le domaine fluide. Cette nouvelle méthode a l'avantage d'imposer la condition de non-glissement à l'interface d'une manière exacte via une force sans introduire des constantes artificielles modélisant la structure rigide. Cet avantage conduit également à la satisfaction de la condition CFL avec un pas de temps plus grand. Pour un calcul précis de la force induite par les frontières mobiles, un système linéaire a été introduit et résolu par la méthode de gradient conjugué. La méthode proposée peut être intégrée facilement dans des solveurs résolvant les équations de Navier-Stokes. Dans ce travail la MIBM a été mise en œuvre en couplage avec un solveur fluide utilisant une méthode de projection adaptée pour obtenir des solutions d'ordre deux en temps et en espace. Le champ de pression a été obtenu par l'équation de Poisson qui a été résolue à l'aide de la méthode du gradient conjugué préconditionné par la méthode multi-grille. La combinaison de ces deux méthodes a permis un gain de temps considérable par rapport aux méthodes classiques de la résolution des systèmes linéaires. De plus le code de calcul développé a été parallélisé sur l'unité graphique GPU équipée de la bibliothèque CUDA pour aboutir à des hautes performances de calcul. Enfin, comme application de nos travaux sur la MIBM, nous avons étudié le couplage "fort" d'interaction fluide-structure (IFS). Pour ce type de couplage, un schéma implicite partitionné a été adopté dans lequel les conditions à l'interface sont satisfaites via un schéma de type "point fixe". Pour réduire le temps de calcul inhérent à cette application, un nouveau schéma de couplage a été proposé pour éviter la résolution de l'équation de Poisson durant les itérations du "point fixe". Cette nouvelle façon de résoudre les problèmes IFS a montré des performances prometteuses pour des systèmes en IFS complexe.


  • Résumé

    In this thesis a novel non-body conforming mesh formulation is developed, called the moving immersed boundary method (MIBM), for the numerical simulation of fluid-structure interaction (FSI). The primary goal is to enable solids of complex shape to move arbitrarily in an incompressible viscous fluid, without fitting the solid boundary motion with dynamic meshes. This novel method enforces the no-slip boundary condition exactly at the fluid-solid interface with a boundary force, without introducing any artificial constants to the rigid body formulation. As a result, large time step can be used in current method. To determine the boundary force more efficiently in case of moving boundaries, an additional moving force equation is derived and the resulting system is solved by the conjugate gradient method. The proposed method is highly portable and can be integrated into any fluid solver as a plug-in. In the present thesis, the MIBM is implemented in the fluid solver based on the projection method. In order to obtain results of high accuracy, the rotational incremental pressure correction projection method is adopted, which is free of numerical boundary layer and is second order accurate. To accelerate the calculation of the pressure Poisson equation, the multi-grid method is employed as a preconditioner together with the conjugate gradient method as a solver. The code is further parallelized on the graphics processing unit (GPU) with the CUDA library to enjoy high performance computing. At last, the proposed MIBM is applied to the study of two-way FSI problem. For stability and modularity reasons, a partitioned implicit scheme is selected for this strongly coupled problem. The interface matching of fluid and solid variables is realized through a fixed point iteration. To reduce the computational cost, a novel efficient coupling scheme is proposed by removing the time-consuming pressure Poisson equation from this fixed point interaction. The proposed method has shown a promising performance in modeling complex FSI system.


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