Méthodes de projection pour des écoulements à seuil, incompressibles et à densité variable

Projection methods for incompressible viscoplastic flows with variable density

• Auteur / Autrice : Rénald Chalayer
• Direction : Laurent Chupin, Thierry Dubois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques Appliquées
• Date : Soutenance le 23/09/2019
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mathématiques Blaise Pascal
• Jury : Président / Présidente : Claire Chainais-Hillairet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charlotte Perrin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Bouchut, Paul Vigneaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Rhéologie

Mots clés libres

Rhéologie de Bingham

Densité variable

Conditions au bord de glissement à seuil

Méthodes de pas de temps fractionnés

Méthodes de projection

Analyse de stabilité

Analyse d'erreur

Fluides à seuil

Simulations numériques

Instabilité de Rayleigh-Taylor

Rupture de barrage

Viscoplastic medium Bingham flows

Variable density

Stick-Slip boundary conditions

Projection method

Stability and error analysis

Rayleigh-Taylor instability

Fractional time-stepping method

Numerical simulation

Résumé

Cette thèse traite de l'utilisation de méthodes de projection pour la simulation de fluides à seuil, incompressibles et à densité variable. Elle se découpe en trois parties. La première partie est consacrée à la présentation du modèle mathématique, à la construction du schéma de semi-discrétisation en temps du modèle, ainsi qu'à l'analyse du schéma ainsi obtenu. Pour construire le schéma, nous avons d'une part adapté un schéma de type pas de temps fractionné existant pour les écoulements newtoniens au cas des écoulements à seuil et d'autre part, nous avons utilisé une formulation en terme de projection pour le tenseur des contraintes qui nous permet de résoudre le couplage entre la vitesse et la contrainte dans l'équation de conservation de la quantité de mouvement avec une méthode de type Uzawa. Nous démontrons mathématiquement la stabilité et la convergence du schéma, et on obtient une estimation d’erreur en temps d’ordre un pour la vitesse, la densité, la viscosité ainsi que le seuil de plasticité. La deuxième partie est consacrée à la discrétisation en espace et à l’implémentation du schéma. La discrétisation en espace est effectuée à l’aide d’une méthode de type volumes finis sur grilles décalées. L’implémentation de l’algorithme a été réalisée à partir d’un code Fortran 90 parallélisé et utilisant les bibliothèques PetsC et MPI. La dernière partie de cette thèse est consacrée à la réalisation de simulations numériques à l'aide du code de calcul que l’on a ainsi construit. Dans la configuration de l’instabilité de Rayleigh-Taylor, on réalise des simulations en faisant varier le seuil de plasticité, en décrivant l’évolution de la position des deux phases et la localisation des zones rigides. Dans la configuration de rupture de barrage, nous mettons en oeuvre les conditions aux limites de type glissement à seuil, plus réalistes physiquement que les conditions de Dirichlet, et nous comparons les résultats obtenus à l’aide de notre nouveau schéma à la littérature existante.

This thesis deal with the use of projection methods for incompressible viscoplastic flows with a variable density. This manuscript is organized following three main lines. The first part is devoted to the mathematical model, the time-discretization of the model and the analysis of the numerical scheme. To construct the numerical scheme, on one side we adapt a time-stepping method already used for newtonian flows to viscoplastic flows and on the other side, we use a projection formulation of the stress tensor to solve the coupling between the velocity and the plastic part of the stress tensor in the momentum equation with an Uzawa-like method. Stability and error analysis of the numerical scheme are provided and a first-order estimate of the time error is derived for the velocity field, the density, the viscosity and the yield stress. The second part is devoted to the space discretization and the implementation of the scheme. A second-order cell-centred finite volume scheme on staggered grids is applied for the spatial discretization. The implementation of the numerical scheme has been performed using a Fortran 90 code and using the PetsC and MPI library The last part of the manuscript is devoted to numerical simulations. In the Rayleigh-Taylor instability configuration, we perform simulations by varying the yield stress, and describing the evolution of the interface and the localization of the rigid zones. In the dambreak configuration, we use Stick-Slip boundary conditions and we compare our results to the existing literature.