Thèse soutenue

Schéma CFD fiable et adaptatif pour le design des dirigeables

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Auteur / Autrice : Ghalia Guiza
Direction : Elie HachemPhilippe MeligaFrançois Cauneau
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mécanique numérique et matériaux
Date : Soutenance le 03/05/2019
Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mise en forme des matériaux (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
Jury : Président / Présidente : Marianna Braza
Examinateurs / Examinatrices : Elie Hachem, Philippe Meliga, François Cauneau
Rapporteurs / Rapporteuses : Stefanie Elgati, Johan Hoffman

Résumé

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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.