Adaptive control of deterministic and stochastic approximation errors in simulations of compressible flow

par Jan Willem Van Langenhove

Thèse de doctorat en Mécanique des Fluides

Sous la direction de Didier Lucor et de Anca Belme.

Soutenue le 25-10-2017

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris , en partenariat avec Institut Jean Le Rond d'Alembert / DALEMBERT (laboratoire) .

Le président du jury était Pascal Frey.

Le jury était composé de Richard Dwight, Frédéric Alauzet, Jacques Peter.

Les rapporteurs étaient Paola Cinnella, Thierry Coupez.

  • Titre traduit

    Contrôle adaptatif des erreurs d'approximation stochastique et déterministe dans la simulation des écoulements compressible


  • Résumé

    La simulation de systèmes d'ingénierie non linéaire complexes tels que les écoulements de fluide compressibles peut être ciblée pour rendre plus efficace et précise l'approximation d'une quantité spécifique (scalaire) d'intérêt du système. En mettant de côté l'erreur de modélisation et l'incertitude paramétrique, on peut y parvenir en combinant des estimations d'erreurs axées sur des objectifs et des raffinements adaptatifs de maillage spatial anisotrope. A cette fin, un cadre élégant et efficace est celui de l'adaptation dite basé-métrique où une estimation d'erreur a priori est utilisée comme indicateur d’adaptation de maillage. Dans cette thèse on propose une nouvelle extension de cette approche au cas des approximations de système portant une composante stochastique. Dans ce cas, un problème d'optimisation est formulé et résolu pour un meilleur contrôle des sources d'erreurs. Ce problème est posé dans le cadre continu de l'espace de métrique riemannien. Des développements algorithmiques sont également proposés afin de déterminer les sources dominates d’erreur et effectuer l’adaptation dans les espaces physique ou des paramètres incertains. L’approche proposé est testée sur divers problèmes comprenant une entrée de scramjet supersonique soumise à des incertitudes paramétriques géométriques et opérationnelles. Il est démontré que cette approche est capable de bien capturé les singularités dans l’escape stochastique, tout en équilibrant le budget de calcul et les raffinements de maillage dans les deux espaces.


  • Résumé

    The simulation of complex nonlinear engineering systems such as compressible fluid flows may be targeted to make more efficient and accurate the approximation of a specific (scalar) quantity of interest of the system. Putting aside modeling error and parametric uncertainty, this may be achieved by combining goal-oriented error estimates and adaptive anisotropic spatial mesh refinements. To this end, an elegant and efficient framework is the one of (Riemannian) metric-based adaptation where a goal-based a priori error estimation is used as indicator for adaptivity. This thesis proposes a novel extension of this approach to the case of aforementioned system approximations bearing a stochastic component. In this case, an optimisation problem leading to the best control of the distinct sources of errors is formulated in the continuous framework of the Riemannian metric space. Algorithmic developments are also presented in order to quantify and adaptively adjust the error components in the deterministic and stochastic approximation spaces. The capability of the proposed method is tested on various problems including a supersonic scramjet inlet subject to geometrical and operational parametric uncertainties. It is demonstrated to accurately capture discontinuous features of stochastic compressible flows impacting pressure-related quantities of interest, while balancing computational budget and refinements in both spaces.


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