Roberval


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Thèse : Couplage des méthodes Lattice Boltzmann sur Réseau et les Eléments Discrets (DEM) pour les simulations des interactions fluide-structure

Mots-clés : Fluide, Couplage, LBM, DEM, fluide-structure, modélisation numérique,
Encadrement scientifique : A. OUAHSINE (Professeur) et H. SMAOUI (Chargé de Recherche, UTC-Cetmef,_Laboratoire Roberval)
Contexte de la thèse
Les problèmes numériques dus aux distorsions des éléments du maillage sont des obstacles majeurs pour la résolution des problèmes d’écoulements de fluides à surface libre et d’interaction fluide structure.
La résolution numérique se fait classiquement avec des méthodes de maillage de types différence finis , volumes finis ou éléments finis. Dans le cas d’un écoulement à grande déformation de la surface libre, comme c’est le cas de déferlement de la houle, ces méthodes ne donnent plus entière satisfaction et donc il falloir envisager des méthodes plus adaptées.
Cette thèse s’inscrit dans le cadre de développements visant la résolution efficace et précise des équations d’écoulements de fluides à surface libre, simulant la propagation et le déferlement de la houle et des courants.
Dans cette thèse on prose de développer un modèle Hybride basé sur un couplage
de la méthode de Boltzmann sur Réseau( LBM ) et une méthode d’Eléments Discrets (DEM), intitulée DDA (Méthode d’Analyse des Déformation Discontinues).
Le but est s’affranchir de cette barrière des temps de calcul, notamment pour les simulations 3D.
La méthode de Boltzmann sur Réseau (Lattice Boltzmann Method)) est une méthode numérique relativement nouvelle par rapport aux approches classiques utilisées en simulation numérique, telles que les éléments finis, volumes-finis, etc.. Cette méthode, développée au début des années 90, est initialement issue des gaz sur Réseau et des automates cellulaires, et basée sur le formalisme de la physique statistique. Ainsi, contrairement aux approches classiques basées sur la discrétisation des équations de la mécanique des fluides, la méthode de Boltzmann sur Réseau permet la résolution numérique de l’équation de Boltzmann qui ne s’intéresse, non plus aux quantités macroscopiques (vitesse, pression, densité), mais directement à la répartition des différentes particules constituant un fluide. On parle alors de représentation mésoscopique.
L’intérêt de la méthode LBM réside avant tout dans la simplicité et la localité de son algorithme rendant ainsi sa parallélisassion aisée. Cependant, très peu d’études ont été réalisées pour la modélisation les écoulements à surface libre.
La méthode DEM qui sera adoptée dans le cadre de cette thèse, est basée sur une approche intitulée Analyse par Déformations Discontinues (DDA). Cette méthode est développée dans le cadre de la thèse de Sami Kaidi (soutenance prévue en 2011).
Le principe de la méthode DDA repose sur la prise en compte d’un système d’éléments discontinus, où les déplacements de chaque élément sont les inconnues que l’on obtient par la résolution des équations d’équilibre, obtenues en minimisant l’énergie potentielle totale du système

Sujet de thèse et objectifs
Le premier objectif de la thèse sera donc de mener une analyse profonde sur les capacités de la LBM, à résoudre les problèmes d’écoulement de fluide à surface libre, en présence de discontinuité éventuelle de cette surface. De plus, la LBM étant une méthode numérique relativement récente et originale, il est important de pouvoir situer ses performances par rapport à celles des méthodes classiques (Eléments-finis, Volumes Finis) utilisées en CFD. Ainsi, une comparaison rigoureuse devra être menée entre les approches classiques (FEM, VF) et la LBM. Cela nous permettra de déterminer si cette méthode apporte réellement de nouvelles solutions interaction fluide-structure

Le second objectif de cette thèse sera le développement d’un modèle numérique Hybride LBM-DEM, qui tient compte des interfaces fluide-structure et structure-structure, dans le cas d’éléments discrets Cependant, le modèle hybride ainsi développé devra permettre de valider d’une part les apports théoriques de la thèse et d’autre part de comparer les simulations à des mesures expérimentales in-situ, pour quantifier l’influence des modifications apportées.

Collaborations
 School of Civil Engineering and Geosciences, University of Newcastle, NE1 7RU, Newcastle, UK.
 Université de Paris VI, Institut d’Alembert, UMR CNRS 7190 UPMC
 Centre d’Etudes Techniques, Maritimes et Fluviales (CETMEF) : Expertise Technique de la navigation

personnes à contacter :

A. OUAHSINE (Professeur) et H. SMAOUI (Chargé de Recherche, UTC-Cetmef,_Laboratoire Roberval)