Biological fluid flows (pulmonary and cardiovascular)
Flows for magnetic fusion - ITER
suite...
Instabilities, Turbulence and Coupling
Présentation
The ITC team develops expertise in numerical simulation and predictive analysis of flows in a lot of application areas focused on aeronautics, fusion, lung flows and hydrodynamic transfers. Innovative and optimized numerical methods are developed to address fundamental scientific issues, industrial applications, and current societal problems.
The team currently includes 12 researchers and is structured around 4 research axes :
Thomas Cartier-Michaud, Philippe Ghendrih, Virginie Grandgirard, Eric Serre. Verification and accuracy check of simulations with PoPe and iPoPe. Journal of Computational Physics, 2023, 474, pp.111759. ⟨10.1016/j.jcp.2022.111759⟩. ⟨hal-03871954⟩ Plus de détails...
The theoretical background of the PoPe and iPoPe verification scheme is presented. Verification is performed using the simulation output of production runs. The computing overhead is estimated to be at most 10%. PoPe or iPoPe calculations can be done offline provided the necessary data is stored, for example additional time slices, or online where iPoPe is more effective. The computing overhead is mostly that of storing the necessary data. The numerical error is determined and split into a part proportional to the operators, which are combined to form the equations to be solved, thus modifying their control parameters, completed by a residual error orthogonal to these operators. The accuracy of the numerical solution is determined by this modification of the control parameters. The PoPe and iPoPe methods are illustrated in this paper with simulations of a simple mechanical system with chaotic trajectories evolving into a strange attractor with sensitivity to initial conditions. We show that the accuracy depends on the particular simulation both because the properties of the numerical solution depend on the values of the control parameter, and because the target accuracy will depend on the problem that is addressed. One shows that for a case close to bifurcations between different states, the accuracy is determined by the level of detail of the bifurcation phenomena one aims at describing. A unique verification index, the PoPe index, is proposed to characterise the accuracy, and consequently the verification, of each production run. The PoPe output allows one to step beyond verification and analyse for example the numerical scheme efficiency. For the chosen example at fixed PoPe index, therefore at fixed numerical error, one finds that the higher order integration scheme, comparing order 4 to order 2 Runge-Kutta time stepping, reduces the computation cost by a factor 4.
Thomas Cartier-Michaud, Philippe Ghendrih, Virginie Grandgirard, Eric Serre. Verification and accuracy check of simulations with PoPe and iPoPe. Journal of Computational Physics, 2023, 474, pp.111759. ⟨10.1016/j.jcp.2022.111759⟩. ⟨hal-03871954⟩
Olivier Mesdjian, Chenglei Wang, Simon Gsell, Umberto D’ortona, Julien Favier, et al.. Longitudinal to Transverse Metachronal Wave Transitions in an In Vitro Model of Ciliated Bronchial Epithelium. Physical Review Letters, 2022, 129 (3), pp.038101. ⟨10.1103/PhysRevLett.129.038101⟩. ⟨hal-03741505⟩ Plus de détails...
Olivier Mesdjian, Chenglei Wang, Simon Gsell, Umberto D’ortona, Julien Favier, et al.. Longitudinal to Transverse Metachronal Wave Transitions in an In Vitro Model of Ciliated Bronchial Epithelium. Physical Review Letters, 2022, 129 (3), pp.038101. ⟨10.1103/PhysRevLett.129.038101⟩. ⟨hal-03741505⟩
Antoine Galko, Simon Gsell, Umberto d'Ortona, Laurent Morin, Julien Favier. Pulsated Herschel-Bulkley flows in two-dimensional channels: A model for mucus clearance devices. Physical Review Fluids, 2022, 7 (5), pp.053301. ⟨10.1103/PhysRevFluids.7.053301⟩. ⟨hal-03863329⟩ Plus de détails...
M. Nguyen, J. Boussuge, P. Sagaut, J. Larroya-Huguet. Large eddy simulation of a thermal impinging jet using the lattice Boltzmann method. Physics of Fluids, 2022, 34 (5), pp.055115. ⟨10.1063/5.0088410⟩. ⟨hal-03669901⟩ Plus de détails...
A compressible Hybrid Lattice Boltzmann Method solver is used to perform a wall-resolved Large eddy simulation of an isothermal axisymmetric jet issuing from a pipe and impinging on a heated flat plate at a Reynolds number of 23 000, a Mach number of 0.1, and an impingement distance of two jet diameters. The jet flow field statistics, Nusselt number profile (including the secondary peak), and shear stress profile were well reproduced. The azimuthal coherence of the primary vortical structures was relatively low, leading to no discernible temporal periodicity of the azimuthally averaged Nusselt number at the location of the secondary peak. While local unsteady near-wall flow separation was observed in the wall jet, this flow separation did not exhibit azimuthal coherence and was not found to be the only cause of the thermal spots blue, which lead to the secondary peak in the Nusselt number, as stream-wise oriented structures also played a significant role in increasing the local heat transfer.
M. Nguyen, J. Boussuge, P. Sagaut, J. Larroya-Huguet. Large eddy simulation of a thermal impinging jet using the lattice Boltzmann method. Physics of Fluids, 2022, 34 (5), pp.055115. ⟨10.1063/5.0088410⟩. ⟨hal-03669901⟩
Guanxiong Wang, Song Zhao, Pierre Boivin, Eric Serre, Pierre Sagaut. A new hybrid lattice-Boltzmann method for thermal flow simulations in low-Mach number approximation. Physics of Fluids, 2022, 34 (4), pp.046114. ⟨10.1063/5.0091517⟩. ⟨hal-03796386⟩ Plus de détails...
A new low-Mach algorithm for the thermal lattice Boltzmann method (LBM) is proposed aiming at reducing the computational cost of thermal flow simulations in the low Mach number limit. The well-known low Mach number approximation is adopted to accelerate the simulations by enlarging the time step through re-scaling the psuedoacoustic speed to the same order of the fluid motion velocity. This specific process is inspired by the similarity between the artificial compressibility method and the isothermal LBM and is further extended to its thermal counterpart. It must be emphasized that such low-Mach acceleration strategy is in a general form, thus can be easily applied to other compressible LB methods. The present method overcomes the drawback of the classical pressure gradient scaling method due to the pressure gradient changing. The new algorithm is validated by various well-documented academic test cases in laminar [one dimensional gravity column, 2D (two dimensional) rising thermal bubble, and 2D differentially heated square cavity] and turbulent [3D (three dimensional) Taylor–Green vortex and 3D heated cylinder] regimes. All the results show excellent agreement with the reference data and high computational efficiency.
Guanxiong Wang, Song Zhao, Pierre Boivin, Eric Serre, Pierre Sagaut. A new hybrid lattice-Boltzmann method for thermal flow simulations in low-Mach number approximation. Physics of Fluids, 2022, 34 (4), pp.046114. ⟨10.1063/5.0091517⟩. ⟨hal-03796386⟩
16 janvier
- Développement de la méthode de Lattice Boltzmann pour la simulation de l'aérodynamique interne des moteurs électriques / Soutenance de thèse Stéphane CAPITAINE-VAILLANT
Doctorant : Stéphane CAPITAINE-VAILLANT
Date : lundi 16 janvier à 13h30 ; Amphi 3 / Centrale Marseille
Résumé : L'électrification croissante du parc automobile fait apparaître de nouveaux verrous technologiques. Parmi eux, le refroidissement des moteurs électriques est étudié activement. Cet intérêt est induit par une forte demande de compacité et de puissance des moteurs électriques en vue de leur intégration dans un groupe moto-propulseur dun véhicule. Les méthodes classiques de CFD basées sur la résolution des équations de Navier-Stokes, de par la complexité des écoulements étudiés (écoulements de Taylor-Couette turbulents avec une vitesse de rotation élevée), montrent leur limitation d'un point de vue du temps de calcul. Dans ce contexte, l'objectif de la thèse est d'étudier et de développer la méthode Lattice Boltzmann (LBM) dans le cas de l'aérodynamique interne des moteurs électriques, et plus particulièrement des échanges thermiques des zones fluides. Dans un premier temps, le contexte du sujet de thèse sera détaillé, avec notamment une description du refroidissement des moteurs électriques. Sera aussi présentée une étude bibliographique des écoulements de Taylor-Couette. Ensuite, une description de la LBM sera donnée. Les conditions limites, sujet non trivial pour cette méthode basée sur des variables mésoscopiques, sont abordées par la suite. Un état de l'art sur ce sujet permet de sélectionner les méthodes existantes les plus adaptées à la configuration étudiée. Les résultats des calculs lancés sur configurations académiques pour sonder la capacité de la LBM à simuler ces écoulements sont alors discutés et analysés. Pour finir, la dernière partie est consacrée à l'étude d'un cas industriel grâce à la méthodologie mise en place au préalable.
Jury
Directeur de these
M. Pierre SAGAUT
Aix Marseille Université
Rapporteur
M. Nicolas GOURDAIN
ISAE-Supaero
Rapporteur
M. Adrien TOUTANT
Université de Perpignan
Examinateur
Mme Lucie MERLIER
Université Claude Bernard Lyon 1
Examinateur
M. Nicolas GOURDAIN
Université de Toulouse
Examinateur
M. Julien FAVIER
Aix Marseille Université
Co-encadrant de these
M. Julien BOHBOT
IFPEN
13 janvier
- Forçage volumique basé sur une méthode de type reconstruction pour un modèle de fermeture algébrique hybride RANS/LES / Soutenance de thèse Jérémie JANIN
Doctorant : Jérémie JANIN
Date : le vendredi 13 janvier à 14h - amphi 2 Centrale Marseille
Résumé : La prédiction des écoulements turbulents présente un intérêt majeur dans de nombreuses situations, y compris pour les études de sécurité nucléaire. Pour en améliorer la prédiction, ce travail s’intéresse aux approches hybrides RANS/LES, combinant faible coût des simulations RANS et capacité prédictive de la LES. Pour un traitement efficace de la transition RANS/LES, une nouvelle méthode de forçage est proposée. Cette méthode enrichit la turbulence résolue, via de nouveaux termes dans les équations du mouvement filtré. Une vitesse synthétique est construite via superposition de modes de Fourier aléatoires. Elle est paramétrable pour respecter divers critères cibles. Une attention particulière est portée sur la conservation de l’énergie cinétique turbulente totale. La méthode est testée avec succès sur l’entretien
d’une turbulence homogène isotrope. Les potentialités de la méthode hybride avec forçage sont illustrées dans le cas du jet plan ainsi que l’écoulement au sein du local ventilé CARDAMOMETTE.
Jury
Lars Davidson (Rapporteur)
Rémi Manceau (Rapporteur)
Paola Cinnella (Présidente du Jury)
Benoït de Laage de Meux (Examinateur)
Fabien Duval (Encadrant)
Christophe Friess (Encadrant)
Pierre Sagaut (Directeur de thèse)
1er décembre
- Méthode de Boltzmann sur réseaux hybride: application aux écoulements compressibles complexes / Soutenance de thèse Thomas CORATGER
Doctorant : Thomas CORATGER
Date : jeudi 1er décembre à 14h00 ; amphi.3, Centrale Marseille
Résumé : Le développement de la dynamique des fluides par des méthodes numériques
a connu, durant les dernières décennies, un essor incontestable. Cela
s'explique en grande partie par l'augmentation considérable des moyens
de calcul, aidant les ingénieurs désireux de construire et d'étudier des
nouveaux systèmes physiques. Les systèmes construits se doivent d'être
les plus performants possibles afin de limiter les coûts mais également
l'empreinte environnementale. L'optimisation des rendements est donc au
centre des préoccupations de nombreux industriels. Expérimentalement, la
réalisation de modèles à taille réelle est souvent coûteuse, ce qui
rend ce type d'étude peu rentable. C'est la raison pour laquelle les
outils numériques sont de plus en plus exploités pour les phases de
recherche et développement au sein de la plupart des entreprises.
Les travaux présentés dans ce manuscrit s'inscrivent dans cette démarche
de modélisation des systèmes physiques et décrivent une méthode
numérique innovante pour la résolution des équations de conservation
relatives à la mécanique des fluides dans le cas des écoulements
compressibles. Dans un premier temps, les fondements théoriques de la
mécanique des fluides et de la thermodynamique sont exposés. Les
avantages d'une résolution numérique sont illustrés avec une mise en
avant de la théorie cinétique des gaz.
A partir de cette introduction, la méthode de Boltzmann sur réseaux est
introduite en tant qu'outil de modélisation limité aux écoulements
incompressibles. Pour répondre à cette problématique, une dérivation
rigoureuse du modèle compressible est présentée. Ce dernier se base sur
un réseau incluant uniquement les plus proches voisins avec un couplage à
une équation d'énergie résolue par une combinaison des méthodes volumes
finis et différences finies. La démonstration s'appuie sur un
développement de Taylor de l'équation de Boltzmann discrétisée. Un
ensemble de caractéristiques, permettant de satisfaire les équations de
Navier Stokes tout en stabilisant le modèle et en éliminant les modes
non-hydrodynamiques, est présenté.
Ce modèle est ensuite testé sur plusieurs applications présentant une
complexité croissante. Pour cela, des ingrédients numériques,
nécessaires à toute simulation compressible complexe, sont ajoutés au
fur et à mesure. La mise en place de conditions aux limites, d'une
méthode capture des chocs, de raffinements de maillages et d'un modèle
de turbulence ont ainsi permis la simulation d'une aile Onera M6
entourée par un écoulement compressible et turbulent.
Les propriétés de conservativité dans le cas de chocs forts sont ensuite
étudiées et le modèle initial est modifié. Basée sur les
caractéristiques du système d'Euler et sur un couplage fort avec les
flux numériques de masse et de quantité de mouvement issus de la méthode
de Boltzmann sur réseaux, un schéma conservatif pour l'équation
d'énergie est dérivé. Il est évalué via un ensemble de tests complexes
où ses propriétés conservatives sont largement mises en avant.
Ce travail se termine par une étude du traitement des conditions aux
limites liées à la méthode compressible. Les défauts de la méthode
d'interpolation des variables macroscopiques sur les noeuds proches des
parois initialement proposée sont mis en avant et certaines pistes
d'amélioration sont proposées. Elles se basent notamment sur les
fonctions de distribution propres à la méthode de Boltzmann sur réseaux
et sur une résolution par volume finis sur les cellules les plus proches
de la paroi. Cette approche a pour objectifs principaux de préserver la
masse globale du fluide et de résoudre plus clairement les équations de
conservation sur ces cellules particulières en se servant de points
fictifs à l'intérieur du domaine solide.
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