Schémas préservant la limite asymptotique pour les modèles BGK et ES-BGK sur grilles cartésiennes

Efficient Asymptotic Preserving Schemes for BGK and ES-BGK models on Cartesian grids

• Auteur / Autrice : Florian Bernard
• Direction : Angelo Iollo, Gabriella Puppo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathematiques appliquées et calcul scientifique
• Date : Soutenance le 09/03/2015
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Politecnico di Torino
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de mathématiques et informatique (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mathématiques de Bordeaux - Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Centre de recherche Inria de l'université de Bordeaux (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Domenic D'Ambrosio
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luc Mieussens, Alberto Milazzo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Goudon, Giovanni Russo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gaz, Théorie cinétique des

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Équation de Boltzmann

Grilles cartésiennes

Modèle ES-BGK

Modèle BGK

Modèles cinétiques

Boltzmann equation

Cartesian grids

ES-BGK model

BGK model

Kinetic models

Résumé

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à des écoulements complexes où les régimes hydrodynamique et raréfiés coexistent. On retrouve ce type d'écoulements dans des applications industrielles comme les pompes à vide ou encore les rentrées de capsules spatiales dans l'atmosphère, lorsque la distance entre les molécules de gaz devient si grande que le comportement microscopique des molécules doit être pris en compte. Pour ce faire, nous étudions 2 modèles de l'équation de Boltzmann, le modèle BGK et le modèle ES-BGK. Dans un premier temps, nous développons une nouvelle condition au bord permettant une transition continue de la solution du régime raréfié vers le régime hydrodynamique. Cette nouvelle condition permettant de préserver l'asymptotique vers les équations d'Euler compressible est ensuite incluse dans une méthode de frontière immergée pour traiter, à une précision raisonnable (ordre 2), le cas de solides immergés dans un écoulement, sur grilles cartésiennes. L'utilisation de grillescartésiennes permet une parallélisation aisée du code de simulation numérique afin d'obtenir une réduction considérable du temps de calcul, un des principaux inconvénients des modèles cinétiques. Par la suite, une approche dites aux grilles locales en vitesses est présentée réduisant également le temps de calcul de manière importante (jusqu'à 80%). Des simulations 3D sont également présentées montrant l'efficacité des méthodes. Enfin, le transport passive de particules solides dans un écoulement raréfié est étudié avec l'introduction d'un modèle de type Vlasov couplé au modèle cinétique. Grâce à une résolution basée sur des méthodes de remaillage, la pollution de dispositif optiques embarqués sur des satellites dues à des particules issues de la combustion incomplète dans les moteurs contrôlant d'altitude est étudiée.

This work is devoted to the study of complex flows where hydrodynamic and rarefled regimes coexist. This kind of flows are found in vacuum pumps or hypersonic re-entries of space vehicles where the distance between gas molecules is so large that their microscopicbehaviour differ from the average behaviour of the flow and has be taken into account. We then consider two modelsof the Boltzmann equation viable for such flows: the BGK model dans the ES-BGK model.We first devise a new wall boundary condition ensuring a smooth transition of the solution from the rarefled regime to the hydrodynamic regime. We then describe how this boundary condition (and boundary conditions in general) can be enforced with second order accuracy on an immersed body on Cartesian grids preserving the asymptotic limit towards compressible Euler equations. We exploit the ability of Cartesian grids to massive parallel computations (HPC) to drastically reduce the computational time which is an issue for kinetic models. A new approach considering local velocity grids is then presented showing important gain on the computational time (up to 80%). 3D simulations are also presented showing the efficiency of the methods. Finally, solid particle transport in a rarefied flow is studied. The kinetic model is coupled with a Vlasov-type equation modeling the passive particle transport solved with a method based on remeshing processes. As application, we investigate the realistic test case of the pollution of optical devices carried by satellites due to incompletely burned particles coming from the altitude control thrusters