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.

Modélisation d'éléments finis pour les interactions fluide-structure

Cette thèse concerne la modélisation des interactions fluide-structure et les méthodes numériques qui s’y rattachent. De ce fait, la thèse est divisée en deux parties. La première partie concerne l’étude des interactions fluide-structure par la méthode des domaines fictifs. Dans cette contribution, le fluide est incompressible et laminaire et la structure est considérée rigide, qu’elle soit immobile ou en mouvement. Les outils que nous avons développés comportent la mise en oeuvre d’un algorithme fiable de résolution qui intégrera les deux domaines (fluide et solide) dans une formulation mixte. L’algorithme est basé sur des techniques de raffinement local adaptatif des maillages utilisés permettant de mieux séparer les éléments du milieu fluide de ceux du solide que ce soit en 2D ou en 3D. La seconde partie est l’étude des interactions mécaniques entre une structure flexible et un fluide incompressible. Dans cette contribution, nous proposons et analysons des méthodes numériques partitionnées pour la simulation de phénomènes d’interaction fluide-structure (IFS). Nous avons adopté à cet effet, la méthode dite «arbitrary Lagrangian-Eulerian» (ALE). La résolution fluide est effectuée itérativement à l’aide d’un schéma de type projection et la structure est modélisée par des modèles hyper élastiques en grandes déformations. Nous avons développé de nouvelles méthodes de mouvement de maillages pour aboutir à de grandes déformations de la structure. Enfin, une stratégie de complexification du problème d’IFS a été définie. La modélisation de la turbulence et des écoulements à surfaces libres ont été introduites et couplées à la résolution des équations de Navier-Stokes. Différentes simulations numériques sont présentées pour illustrer l’efficacité et la robustesse de l’algorithme. Les résultats numériques présentés attestent de la validité et l’efficacité des méthodes numériques développées.

Galerkin finite element method for incompressible thermofluid flows framed within the bond graph theory

In this paper a bond graph methodology is used to model incompressible fluid flows with viscous and thermal effects. The distinctive characteristic of these flows is the role of pressure, which does not behave as a state variable but as a function that must act in such a way that the resulting velocity field has divergence zero. Velocity and entropy per unit volume are used as independent variables for a single-phase, single-component flow. Time-dependent nodal values and interpolation functions are introduced to represent the flow field, from which nodal vectors of velocity and entropy are defined as state variables. The system for momentum and continuity equations is coincident with the one obtained by using the Galerkin method for the weak formulation of the problem in finite elements. The integral incompressibility constraint is derived based on the integral conservation of mechanical energy. The weak formulation for thermal energy equation is modeled with true bond graph elements in terms of nodal vectors of temperature and entropy rates, resulting a Petrov-Galerkin method. The resulting bond graph shows the coupling between mechanical and thermal energy domains through the viscous dissipation term. All kind of boundary conditions are handled consistently and can be represented as generalized effort or flow sources. A procedure for causality assignment is derived for the resulting graph, satisfying the Second principle of Thermodynamics. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Developing discontinuous Galerkin methods for the resolution of the incompressible Navier-Stokes equations

Informe de investigación elaborado a partir de una estancia en el Laboratorio de Diseño Computacional en Aeroespacial en el Massachusetts Institute of Technology (MIT), Estados Unidos, entre noviembre de 2006 y agosto de 2007. La aerodinámica es una rama de la dinámica de fluidos referida al estudio de los movimientos de los líquidos o gases, cuya meta principal es predecir las fuerzas aerodinámicas en un avión o cualquier tipo de vehículo, incluyendo los automóviles. Las ecuaciones de Navier-Stokes representan un estado dinámico del equilibrio de las fuerzas que actúan en cualquier región dada del fluido. Son uno de los sistemas de ecuaciones más útiles porque describen la física de una gran cantidad de fenómenos como corrientes del océano, flujos alrededor de una superficie de sustentación, etc. En el contexto de una tesis doctoral, se está estudiando un flujo viscoso e incompresible, solucionando las ecuaciones de Navier- Stokes incompresibles de una manera eficiente. Durante la estancia en el MIT, se ha utilizado un método de Galerkin discontinuo para solucionar las ecuaciones de Navier-Stokes incompresibles usando, o bien un parámetro de penalti para asegurar la continuidad de los flujos entre elementos, o bien un método de Galerkin discontinuo compacto. Ambos métodos han dado buenos resultados y varios ejemplos numéricos se han simulado para validar el buen comportamiento de los métodos desarrollados. También se han estudiado elementos particulares, los elementos de Raviart y Thomas, que se podrían utilizar en una formulación mixta para obtener un algoritmo eficiente para solucionar problemas numéricos complejos.

Sur une conception nouvelle des forces intérieures dans un fluide en mouvement / par M. Stanislas Zaremba,...

Collection : Mémorial des sciences mathématiques ; fasc. 82

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.

Parenté fluide : la quête des origines au Brésil et au Québec : dialogue entre parenté, droit et science

Cette thèse porte sur la question des origines biogénétiques au Brésil et au Québec. Elle vise à mettre en lumière les raisons, conséquences et contraintes de la recherche des origines entreprise par les personnes conçues grâce à un don de gamètes ou adoptées. La question des origines est ici analysée à partir de trois points de vue: la parenté, le droit et la science. Le cadre proposé combine les trois approches suivantes : 1) le recours à la parenté permet dřanalyser, de par son caractère hybride, social et biologique, les tensions entre nature et culture; 2) le droit balise les comportements permis et transforme les notions associées à ce qui est correct et juste en des principes d'action; 3) la science construit, sous lřangle de la vérité, la manière dont les liens entre génétique, transmission et hérédité sous-tendent les comportements sociaux. Les représentations de lřorigine mises de lřavant dans ces trois domaines influencent la décision personnelle dřentreprendre ou non la quête de ses origines et celle, éventuelle, d'introduire un « étranger » dans la famille. Ces différents angles permettront de saisir le rôle de chacun des personnages impliqués et de décrire les conditions associées à la quête identitaire et à la filiation. La construction de la thèse sřappuie sur l'histoire des pratiques d'adoption et de procréation médicalement assistée (PMA), au Brésil et au Québec et sur les études qui sřy rapportent. La comparaison entre ces deux pays ne se limite pas à identifier leurs seules différences en termes socio- économiques ; elle prend aussi en compte leur spécificité culturelle et juridique à travers le concept dř « épistémologies civiques ». La parenté, le droit et la science fournissent le contexte permettant de comprendre les raisons mises en jeu dans la recherche des origines. De fait, la valorisation des liens de parenté sociale dialogue, entre autres, avec la curiosité pour les données génétiques. De plus, la loi sřinscrit comme une médiation entre parenté et science. Lřétude des ressemblances et différences dans la pratique de l'adoption et de la PMA au Brésil et au Québec permet de suivre les étapes de la quête des adoptés et issus d'un don de gamètes, de la découverte des conditions de leur filiation jusqu'aux « retrouvailles ». La thèse aborde également le débat entre les versants personnel et collectif de lřidentité à travers l'analyse des pratiques et des discours des associations de personnes adoptées, des couples infertiles et des familles homoparentales, autour de la thématique des origines. Le but de cette thèse est de souligner l'importance de mettre en perspective ces échanges entre la parenté, le droit et la science pour comprendre les réalités complexes que nous vivons aujourd'hui. iii L'origine et sa quête sont les véhicules utilisés ici pour mettre en évidence des formes familiales plurielles qui permettent d'analyser la manière dont nous négocions de nouvelles formes de filiation et de construction des familles.

An Immersed Interface Method for the Incompressible Navier-Stokes Equations in Irregular Domains

We present an immersed interface method for the incompressible Navier Stokes equations capable of handling rigid immersed boundaries. The immersed boundary is represented by a set of Lagrangian control points. In order to guarantee that the no-slip condition on the boundary is satisfied, singular forces are applied on the fluid at the immersed boundary. The forces are related to the jumps in pressure and the jumps in the derivatives of both pressure and velocity, and are interpolated using cubic splines. The strength of singular forces is determined by solving a small system of equations at each time step. The Navier-Stokes equations are discretized on a staggered Cartesian grid by a second order accurate projection method for pressure and velocity.

Energy consistent discontinuous Galerkin methods for a quasi-incompressible diffuse two phase flow model

We design consistent discontinuous Galerkin finite element schemes for the approximation of a quasi-incompressible two phase flow model of Allen–Cahn/Cahn–Hilliard/Navier–Stokes–Korteweg type which allows for phase transitions. We show that the scheme is mass conservative and monotonically energy dissipative. In this case the dissipation is isolated to discrete equivalents of those effects already causing dissipation on the continuous level, that is, there is no artificial numerical dissipation added into the scheme. In this sense the methods are consistent with the energy dissipation of the continuous PDE system.

Evaluation of a bounded high order upwind scheme for 3D incompressible free surface flow computations

fit the context of normalized variable formulation (NVF) of Leonard and total variation diminishing (TVD) constraints of Harten. this paper presents an extension of it previous work by the authors for solving unsteady incompressible flow problems. The main contributions of the paper are threefold. First, it presents the results of the development and implementation of a bounded high order upwind adaptative QUICKEST scheme in the 3D robust code (Freeflow), for the numerical solution of the full incompressible Navier-Stokes equations. Second, it reports numerical simulation results for 1D hock tube problem, 2D impinging jet and 2D/3D broken clam flows. Furthermore, these results are compared with existing analytical and experimental data. And third, it presents the application of the numerical method for solving 3D free surface flow problems. (C) 2007 IMACS. Published by Elsevier B.V. All rights reserved,