Modelagem da interação fluido-estrutura usando o método da fronteira imersa: aplicação ao estudo do escoamento em torno de um cilindro confinado

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEIS

Modelagem numérica do escoamento em válvulas automáticas de compressores pelo Método da Fronteira Imersa

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Simulação numérica do escoamento em difusores radiais usando o método da fronteira imersa

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Análise de métodos numéricos de diferenças finitas para solução da equação de Poisson em domínios irregulares

Pós-graduação em Matematica Aplicada e Computacional - FCT

Modelagem numérica do escoamento em válvulas de compressores alternativos pelo método da fronteira imersa com refinamento adaptativo

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEIS

Une nouvelle mise en oeuvre de la méthode IIM pour les équations de Navier-Stokes en présence d'une force singulière

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Une nouvelle méthode smoothed particle hydrodynamics : simulation des interfaces immergées et de la dynamique Brownienne des molécules avec des interactions hydrodynamiques

Dans cette thèse, nous présentons une nouvelle méthode smoothed particle hydrodynamics (SPH) pour la résolution des équations de Navier-Stokes incompressibles, même en présence des forces singulières. Les termes de sources singulières sont traités d'une manière similaire à celle que l'on retrouve dans la méthode Immersed Boundary (IB) de Peskin (2002) ou de la méthode régularisée de Stokeslets (Cortez, 2001). Dans notre schéma numérique, nous mettons en oeuvre une méthode de projection sans pression de second ordre inspirée de Kim et Moin (1985). Ce schéma évite complètement les difficultés qui peuvent être rencontrées avec la prescription des conditions aux frontières de Neumann sur la pression. Nous présentons deux variantes de cette approche: l'une, Lagrangienne, qui est communément utilisée et l'autre, Eulerienne, car nous considérons simplement que les particules SPH sont des points de quadrature où les propriétés du fluide sont calculées, donc, ces points peuvent être laissés fixes dans le temps. Notre méthode SPH est d'abord testée à la résolution du problème de Poiseuille bidimensionnel entre deux plaques infinies et nous effectuons une analyse détaillée de l'erreur des calculs. Pour ce problème, les résultats sont similaires autant lorsque les particules SPH sont libres de se déplacer que lorsqu'elles sont fixes. Nous traitons, par ailleurs, du problème de la dynamique d'une membrane immergée dans un fluide visqueux et incompressible avec notre méthode SPH. La membrane est représentée par une spline cubique le long de laquelle la tension présente dans la membrane est calculée et transmise au fluide environnant. Les équations de Navier-Stokes, avec une force singulière issue de la membrane sont ensuite résolues pour déterminer la vitesse du fluide dans lequel est immergée la membrane. La vitesse du fluide, ainsi obtenue, est interpolée sur l'interface, afin de déterminer son déplacement. Nous discutons des avantages à maintenir les particules SPH fixes au lieu de les laisser libres de se déplacer. Nous appliquons ensuite notre méthode SPH à la simulation des écoulements confinés des solutions de polymères non dilués avec une interaction hydrodynamique et des forces d'exclusion de volume. Le point de départ de l'algorithme est le système couplé des équations de Langevin pour les polymères et le solvant (CLEPS) (voir par exemple Oono et Freed (1981) et Öttinger et Rabin (1989)) décrivant, dans le cas présent, les dynamiques microscopiques d'une solution de polymère en écoulement avec une représentation bille-ressort des macromolécules. Des tests numériques de certains écoulements dans des canaux bidimensionnels révèlent que l'utilisation de la méthode de projection d'ordre deux couplée à des points de quadrature SPH fixes conduit à un ordre de convergence de la vitesse qui est de deux et à une convergence d'ordre sensiblement égale à deux pour la pression, pourvu que la solution soit suffisamment lisse. Dans le cas des calculs à grandes échelles pour les altères et pour les chaînes de bille-ressort, un choix approprié du nombre de particules SPH en fonction du nombre des billes N permet, en l'absence des forces d'exclusion de volume, de montrer que le coût de notre algorithme est d'ordre O(N). Enfin, nous amorçons des calculs tridimensionnels avec notre modèle SPH. Dans cette optique, nous résolvons le problème de l'écoulement de Poiseuille tridimensionnel entre deux plaques parallèles infinies et le problème de l'écoulement de Poiseuille dans une conduite rectangulaire infiniment longue. De plus, nous simulons en dimension trois des écoulements confinés entre deux plaques infinies des solutions de polymères non diluées avec une interaction hydrodynamique et des forces d'exclusion de volume.

High-resolution numerical modelling of flow-vegetation interactions

In this paper, we present and apply a new three-dimensional model for the prediction of canopy-flow and turbulence dynamics in open-channel flow. The approach uses a dynamic immersed boundary technique that is coupled in a sequentially staggered manner to a large eddy simulation. Two different biomechanical models are developed depending on whether the vegetation is dominated by bending or tensile forces. For bending plants, a model structured on the Euler-Bernoulli beam equation has been developed, whilst for tensile plants, an N-pendula model has been developed. Validation against flume data shows good agreement and demonstrates that for a given stem density, the models are able to simulate the extraction of energy from the mean flow at the stem-scale which leads to the drag discontinuity and associated mixing layer.

La méthode IIM pour une membrane immergée dans un fluide incompressible

La méthode IIM (Immersed Interface Method) permet d'étendre certaines méthodes numériques à des problèmes présentant des discontinuités. Elle est utilisée ici pour étudier un fluide incompressible régi par les équations de Navier-Stokes, dans lequel est immergée une membrane exerçant une force singulière. Nous utilisons une méthode de projection dans une grille de différences finies de type MAC. Une dérivation très complète des conditions de saut dans le cas où la viscosité est continue est présentée en annexe. Deux exemples numériques sont présentés : l'un sans membrane, et l'un où la membrane est immobile. Le cas général d'une membrane mobile est aussi étudié en profondeur.

Approche cartésienne pour le calcul du vent en terrain complexe avec application à la propagation des feux de forêt

La méthode de projection et l'approche variationnelle de Sasaki sont deux techniques permettant d'obtenir un champ vectoriel à divergence nulle à partir d'un champ initial quelconque. Pour une vitesse d'un vent en haute altitude, un champ de vitesse sur une grille décalée est généré au-dessus d'une topographie donnée par une fonction analytique. L'approche cartésienne nommée Embedded Boundary Method est utilisée pour résoudre une équation de Poisson découlant de la projection sur un domaine irrégulier avec des conditions aux limites mixtes. La solution obtenue permet de corriger le champ initial afin d'obtenir un champ respectant la loi de conservation de la masse et prenant également en compte les effets dûs à la géométrie du terrain. Le champ de vitesse ainsi généré permettra de propager un feu de forêt sur la topographie à l'aide de la méthode iso-niveaux. L'algorithme est décrit pour le cas en deux et trois dimensions et des tests de convergence sont effectués.

Inverse analysis FOR two-dimensional structures using the boundary element method

Inverse analysis is currently an important subject of study in several fields of science and engineering. The identification of physical and geometric parameters using experimental measurements is required in many applications. In this work a boundary element formulation to identify boundary and interface values as well as material properties is proposed. In particular the proposed formulation is dedicated to identifying material parameters when a cohesive crack model is assumed for 2D problems. A computer code is developed and implemented using the BEM multi-region technique and regularisation methods to perform the inverse analysis. Several examples are shown to demonstrate the efficiency of the proposed model. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved,

A coupled boundary element/differential equation method formulation for plate-beam interaction analysis

In this work, a new boundary element formulation for the analysis of plate-beam interaction is presented. This formulation uses a three nodal value boundary elements and each beam element is replaced by its actions on the plate, i.e., a distributed load and end of element forces. From the solution of the differential equation of a beam with linearly distributed load the plate-beam interaction tractions can be written as a function of the nodal values of the beam. With this transformation a final system of equation in the nodal values of displacements of plate boundary and beam nodes is obtained and from it, all unknowns of the plate-beam system are obtained. Many examples are analyzed and the results show an excellent agreement with those from the analytical solution and other numerical methods. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Analysis of stiffened plates by the boundary element method

In this paper, a formulation for representation of stiffeners in plane stress by the boundary elements method (BEM) in linear analysis is presented. The strategy is to adopt approximations for the displacements in the central line of the stiffener. With this simplification the Spurious oscillations in the stress along stiffeners with small thickness is prevented. Worked examples are analyzed to show the efficiency of these techniques, especially in the insertion of very narrow sub-regions, in which quasi-singular integrals are calculated, with stiffeners that are much stiffer than the main domain. The results obtained with this formulation are very close to those obtained with other formulations. (C) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Consolidation of elastic-plastic saturated porous media by the boundary element method

This paper presents a domain boundary element formulation for inelastic saturated porous media with rate-independent behavior for the solid skeleton. The formulation is then applied to elastic-plastic behavior for the solid. Biot`s consolidation theory, extended to include irreversible phenomena is considered and the direct boundary element technique is used for the numerical solution after time discretization by the implicit Euler backward algorithm. The associated nonlinear algebraic problem is solved by the Newton-Raphson procedure whereby the loading/unloading conditions are fully taken into account and the consistent tangent operator defined. Only domain nodes (nodes defined inside the domain) are used to represent all domain values and the corresponding integrals are computed by using an accurate sub-elementation scheme. The developments are illustrated through the Drucker-Prager elastic-plastic model for the solid skeleton and various examples are analyzed with the proposed algorithms. (c) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.