Méthode de Boltzmann sur réseaux hybride : application aux écoulements compressibles complexes

Hybrid Lattice Boltzmann method : applications to complex compressible flows

• Auteur / Autrice : Thomas Coratger
• Direction : Pierre Sagaut, Pierre Boivin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique et physique des fluides
• Date : Soutenance le 01/12/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences pour l'ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique, Modélisation et Procédés Propres (M2P2) (Marseille, Aix-en-Provence)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Airbus Opérations (Airbus opérations SAS) - Renault - Groupe Safran
• Jury : Président / Présidente : Sébastien Deck
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Larchevêque, Maria Vittoria Salvetti, Éric Lamballais, Aloïs Sengissen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Florian de Vuyst, Aziz Hamdouni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Turbulence

Volumes finis, Méthodes de

Compressibilité

Méthode de Boltzmann sur réseau

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Mécanique des fluides compressibles

Méthodes de Boltzmann sur réseaux

Schémas numériques

Volumes finis

Turbulence

Fluid mechanics

Lattice Boltzmann methods

Numerical schemes

Finite volumes

Turbulence

Résumé

Les travaux présentés dans ce manuscrit s'inscrivent dans une 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. 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 d'un modèle compressible hybride n'incluant que les plus proches voisins est présentée. Ce modèle est ensuite testé sur plusieurs applications présentant une complexité croissante grâce à l'ajout d'ingrédients numériques. 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. Basé 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. 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 nœuds proches des parois initialement proposée sont mis en avant et certaines pistes d'amélioration sont proposées

The work presented in this manuscript is part of an approach to modeling physical systems and describes an innovative numerical method for solving fluid mechanics conservation equations in the scope of compressible flows. The Lattice Boltzmann method is presented as a modeling tool that is restricted to incompressible flows. To address this issue, a rigorous derivation of a hybrid compressible model that includes only the nearest neighbors is presented. This model is then tested on a variety of applications with increasing complexity as numerical ingredients are added. With the addition of boundary conditions, a shock-capturing method, mesh refinements, and a turbulence model, the simulation of a Onera M6 wing surrounded by a compressible and turbulent flow was possible. A conservative scheme for the energy equation is derived based on the characteristics of the Euler system and a strong coupling with the fluxs of mass and momentum derived from the Lattice Boltzmann method. The study of compressible boundary conditions concludes this work. The shortcomings of the initially proposed method of interpolating macroscopic variables on nodes close to walls are highlighted, and some areas for improvement are suggested