Reliable and Adaptive CFD Framework for Airship Design

par Ghalia Guiza

Thèse de doctorat en Mécanique numérique et matériaux

Sous la direction de Elie Hachem, Philippe Meliga et de François Cauneau.

Le président du jury était Marianna Braza.

Le jury était composé de Elie Hachem, Philippe Meliga, François Cauneau.

Les rapporteurs étaient Stefanie Elgati, Johan Hoffman.

  • Titre traduit

    Schéma CFD fiable et adaptatif pour le design des dirigeables


  • Résumé

    Cette thèse porte sur la modélisation et la simulation numérique d'écoulements instationnaires et turbulents dans un contexte d'aérodynamique externe. L'étude proposée contribue au développement de méthodes adaptées aux écoulements incompressibles, monophasiques et multiphasiques, autour de divers corps profilés et non-profilés. Celles-ci reposent sur une méthode éléments finis stabilisés innovante de type Variational Multiscale (VMS), dans laquelle la solution est décomposée a priori en une grande échelle résolue et une petite échelle modélisé, dont l’effet sur la grande échelle est pris en compte au travers de termes sources proportionnels aux résidus des équations du problème grande échelle. Une procédure automatique est utilisée afin de générer des maillages hybrides combinant une région interne structurée en strates et conforme à la théorie des couches limites, et une région externe non structurée et adaptée via un estimateur d’erreur VMS sous la contrainte d’un nombre d’éléments fixé. Pour les cas mettant en jeu plusieurs phases immiscibles, une méthode level-set est utilisée afin de suivre précisément les interfaces tout en prenant en compte les effets de tension de surface. L'originalité et l'enjeu principal de cette thèse résident dans le couplage de ces différentes approches en une formulation unifiée, et leur mise en oeuvre dans un contexte de calcul massivement parallèle. Plusieurs cas-tests en deux et trois dimensions sont présentés afin de démontrer la précision et la robustesse des outils proposés. Le solveur est ensuite utilisé pour analyser l'aérodynamique du Stratobus, un dirigeable stratosphérique développé par Thalès Alenia Space et destiné à un large éventail d’applications civiles ou militaires. En régime permanent, une hypothèse d’enveloppe rigide permet de prédire les forces exercées sur la structure en bon accord avec l’expérience. L'effet du slosh d'un ballonet d'hélium placé à l'intérieur de l'enveloppe est également simulé afin de caractériser la dynamique du dirigeable durant la phase de décollage.


  • Résumé

    This thesis is devoted to the modeling and the numerical simulation of unsteady, turbulent flows relevant to external aerodynamic applications. The proposed study aims at developing methods suited to incompressible, monophase and multiphase flows around various slender and non-slender bodies. The latter rely on the Variational Multiscale (VMS) stabilized finite element method, that introduces an a priori decomposition of the solution into coarse and fine scale components. The general idea is that only the large scales are fully represented and resolved at the discrete level, while the effect of the small unresolved scales is taken into account by means of consistently derived source terms proportional to the residual of the resolved scale solution. An automatic procedure is used to build complex meshes combining a multilayer inner region structured according to the boundary layer theory, and an external non-structured region refined using a VMS error estimator under the constraint of a fixed number of nodes. For cases involving several immiscible phases, an advanced level-set method is used to accurately follow the interfaces while accounting for surface tension effects. The coupling between these various components into a unified formulation, and their implementation in a context of high performance computing, make for the novelty and the main objective of this thesis. Several test-cases in two and three dimensions are presented to assess the accuracy and the robustness of the proposed methods. The solver is then used to analyze the aerodynamics of the Stratobus, a stratospheric airship designed by Thalès Alenia Space for a wide range of civilian and military operations. In the permanent regime, a rigid envelope assumption allows predicting the forces exerted on the structure in good agreement with the experiments. The effect of a lighter-than-air ballonet slosh located in the hull is also simulated to characterize the airship dynamics during take-off.


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