Approches multi-fidélités pour la simulation rapide d'écoulements d'air en milieu urbain - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

A multi-fidelity approach for the rapid simulation of urban air flows

Approches multi-fidélités pour la simulation rapide d'écoulements d'air en milieu urbain

Résumé

This thesis is about the numerical study of a Non-Intrusive Reduced Basis (NIRB) method and its application to the simulation of turbulent air flows in order to diminish the cost arising from the repeated computation of parameter-dependant partial differential equations.Reduced Basis (RB) methods are separated into two stages: the offline stage, which is a pre-calculation stage and may be expensive, and the online stage, which is fast. However, it is often necessary to be very intrusive in the classical implementation of these methods for them to be efficient. This constraint, in addition to the problems related to the treatment of non-linearity terms in Computational Fluid Dynamics (CFD) models, makes the use of standard RB methods difficult for the computation of turbulent airflows in urban environments with complex geometries. A non-intrusive approach, like the NIRB method, allow to avoid practical problems associated to model order reduction for complex air flows and is compatible with the use of operational codes.The NIRB technique studied in this thesis is based on a multi-fidelity approach in order to construct quickly and non-intrusively a good approximation of the simulated flow, which is computed from a high fidelity (HF) CFD model. It involves the online computation of a less expensive (but less accurate) solution from a low fidelity model. The projection coefficients of this coarse solution in the space generated by the reduced basis are then corrected, thanks to a rectification matrix pre-calculated in the offline stage.In this thesis, we study the quality and efficiency of the NIRB method for turbulent flows models with parametrized boundary conditions. We analyse two main applications: a benchmark case (the 2D simulation of an air flow along a backward step), and an application « in-situ » (the 3D simulation of the turbulent air flow around a district of the Equipex Sense-City).Sense-City is a full-scale urban equipment, composed of a climatic chamber and of two mini-cities highly instrumented, which allows in particular the validation of physical models and simulations. We have made flow measurements around the mini-city 1 with a 3D ultrasonic anemometer. These velocity measurements are used to validate the CFD model and the different reduction order methods.The classical CFD models reproduce well the global flow behaviour at the measurement points and the NIRB method allows to obtain rapidly a simulated flow close to the HF solution, which shows that it can be used in a multi-query context for parametrized urban CFD models at the district scale
Cette thèse porte sur l’étude numérique d’une méthode des bases réduites non-intrusive (appelée NIRB pour ‘‘Non-Intrusive Reduced Basis’’) et son application à la simulation d’écoulements d’air turbulents dans le but de diminuer le coût de calcul dû à la résolution répétée d’équations aux dérivées partielles paramétrées.Les méthodes des bases réduites (BR) reposent sur une décomposition des calculs en deux étapes : la phase hors-ligne, qui est une phase de pré-calcul et la phase en ligne qui est rapide. Cependant, il est souvent nécessaire d’être très intrusif dans la mise en place standard de ces méthodes pour que celles-ci soient efficaces. Cette contrainte, en plus des problèmes liés aux traitements de termes non linéaires dans les modèles CFD (Computational Fluid Dynamics), rend l’utilisation des méthodes BR classiques difficiles pour le calcul d’écoulements d’air turbulents en milieu urbain où la géométrie est très complexe. Une approche non intrusive, telle que la NIRB, permet entre autres d’éviter les problèmes d’ordre pratique dans l’implémentation et est compatible avec l’utilisation de codes opérationnels.La technique NIRB étudiée dans cette thèse repose sur une approche multi-fidélité afin de construire rapidement et de manière non intrusive une bonne approximation de l’écoulement simulé à partir d’un modèle haute fidélité (HF). Cela consiste à calculer en ligne une solution grossière provenant d’un modèle basse fidélité et à corriger, grâce à une matrice de rectification pré-calculée dans la phase hors-ligne, les coefficients de projection de cette solution grossière sur l’espace engendré par la base réduite.Dans cette thèse, nous étudions l’efficacité et la qualité de l’approche NIRB pour des modèles d’écoulement turbulents avec des conditions aux limites paramétrées. Deux applications ont été analysées : un cas d’étude (la simulation 2D d’un écoulement le long d’une marche descendante) et un cas « in-situ » (la simulation 3D de l’écoulement d’air autour d’un quartier de l’Equipex Sense-City).Sense-City est un équipement à taille réelle, composé d’une chambre climatique et de deux mini-villes fortement instrumentées, ce qui permet notamment la validation de modèles physiques et de simulations. Des mesures de l’écoulement d’air ont été réalisées autour de la mini-ville 1 à l’aide d’un anémomètre ultrasonique 3D. Ces mesures sont exploitées dans le but de valider les modèles CFD et les différentes méthodes de réduction utilisées.Le comportement global de l’écoulement aux points de mesure est bien reproduit par les modèles CFD classiques. La méthode NIRB permet quant à elle d’obtenir rapidement un écoulement simulé proche de la solution HF, ce qui montre qu’elle peut être employée dans un contexte multi-requête pour des modèles CFD paramétrés à l’échelle du quartier
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03442970 , version 1 (23-11-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03442970 , version 1

Citer

Benjamin Streichenberger. Approches multi-fidélités pour la simulation rapide d'écoulements d'air en milieu urbain. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Université Gustave Eiffel, 2021. Français. ⟨NNT : 2021UEFL2001⟩. ⟨tel-03442970⟩
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