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Towards High-Order Compact Discretization of Unsteady Navier-Stokes Equations for Incompressible Flows on Unstructured Grids
Une méthode haut ordre de résolution des équations de Navier-Stokes pour un écoulement incompressible basée sur une discrétisation éléments finis Galerkin discontinu hybride est présentée pour laquelle la stabilité énergétique est assurée et la masse et la quantité de mouvement sont conservées. La f...
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| Auteurs principaux : | , , , , , , |
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| Collectivités auteurs : | , , , |
| Format : | Thèse ou mémoire |
| Langue : | anglais |
| Titre complet : | Towards High-Order Compact Discretization of Unsteady Navier-Stokes Equations for Incompressible Flows on Unstructured Grids / Hashim Ibrahim Mohamed Elzaabalawy; sous la direction de Luis Eça et de Michel Visonneau |
| Publié : |
2020 |
| Accès en ligne : |
Accès Nantes Université
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| Note sur l'URL : | Accès au texte intégral |
| Note de thèse : | Thèse de doctorat : Mécanique des milieux fluides : Ecole centrale de Nantes : 2020 Thèse de doctorat : Mécanique des milieux fluides : Instituto superior técnico (Lisbonne) : 2020 |
| Sujets : |
| Résumé : | Une méthode haut ordre de résolution des équations de Navier-Stokes pour un écoulement incompressible basée sur une discrétisation éléments finis Galerkin discontinu hybride est présentée pour laquelle la stabilité énergétique est assurée et la masse et la quantité de mouvement sont conservées. La formulation calcule exactement des champs de vitesse solénoïdaux pour des types d'élément standard sans avoir recours à des opérateurs de post-traitement ou à des espaces fonctionnels \textit{H}(div) conformes. Ceci est réalisé en proposant une définition simple et nouvelle de l'espace fonctionnel pour la pression, de sorte qu'il contienne la divergence de la vitesse discrétisée. Une attention particulière est accordée à l'application de cette méthode à différentes formes d'éléments en introduisant le concept d'éléments d'ordre réduit pour toutes les formes standard en 2D et 3D. En outre, la contrainte d'incompressibilité est gérée via la condensation statique pour résoudre le problème du point selle. De plus, dans le but de simuler des écoulements à nombres de Reynolds élevés, la signification de la stabilisation de la diffusion dans le cadre discontinue de Galerkin hybride est analysée. Alors que dans la littérature, le terme de stabilisation de la diffusion est directement proportionnel à la diffusivité ou à la viscosité pour les équations de Navier-Stokes, la présente étude dérive mathématiquement une nouvelle expression pour le terme de stabilisation de diffusion où le terme est inversement proportionnel à la diffusivité ou à la viscosité. Son importance pour les écoulements dominés par la convection est soulignée et étayée par de nombreux exemples numériques. De plus, la formulation proposée pour les équations de Navier-Stokes en régime incompressible est étendue pour résoudre ces équations en moyenne de Reynolds (RANSE) pour les modèles de turbulence TNT, BSL et SST k- \omega pour des nombres de Reynolds jusqu'à 10 ^ 9. La résolution des équations en formulation RANSE est une tâche difficile pour les méthodes d'ordre élevé, en raison de profils non réguliers des quantités caractérisant la turbulence. Dans le cadre de la formulation Galerkin discontinu, l'approximation polynomiale de ces quantités conduit à de grandes oscillations qui impactent le solveur non linéaire. Compte tenu de la complexité des méthodes d'ordre élevé et des erreurs de modélisation assez importantes de la modélisation RANS, les méthodes d'ordre inférieur sont par conséquent, souvent considérées dans la littérature comme plus pragmatiques. Cependant, cette thèse montre que la résolution des équations RANSE avec la méthode d'ordre élevé proposée est robuste et conduit à des amplitudes d'erreur significativement plus faibles par rapport aux solveurs basés sur les volumes finis du second ordre. De plus, on observe une réduction remarquable du nombre d'itérations pour obtenir une solution convergée. Une attention particulière est portée au traitement du taux spécifique de dissipation de la turbulence \omega dans le cadre des approximations d ordre élevé. Les possibilités et les limites de la simulation d'écoulements incompressibles industriels à l'aide de cette formulation haut-ordre sont évaluées afin de tirer des conclusions générales pour les applications industrielles. A high-order energy-stable method for solving the incompressible Navier-Stokes equations based on hybrid discontinuous Galerkin method is presented for which the mass and momentum are conserved. The formulation computes exactly pointwise divergence-free velocity fields for standard element types without post-processing operators nor using \textit{H}(div)-conforming spaces. This is achieved by proposing a simple and novel definition to the functional space of the pressure, such that it contains the divergence of the approximate velocity. Specific focus is given on applying this method on different element shapes by introducing the concept of reduced-order elements for all standard shapes in 2D and 3D. Further, the incompressibility constraint is handled via the static condensation to solve the saddle point problem. Furthermore, with the aim to simulate high Reynolds numbers flows, the significance of the diffusion stabilization in the hybridizable discontinuous Galerkin framework is analyzed. Referring to literature, the diffusion stabilization term is directly proportional to the diffusivity or the viscosity for the Navier-Stokes equations. In this work, a new expression for the diffusion stabilization term is mathematically derived, where the term is inversely proportional to the diffusivity or viscosity. Its importance for convection dominated flows is emphasized and supported by numerical examples.Moreover, the proposed formulation for the incompressible Navier-Stokes is extended to solve the RANSE for the TNT, BSL, and SST k-\omega models for Reynolds numbers up to 10^9.Solving RANSE is a resilient task for high-order methods, due to the non-smooth profiles of the turbulence quantities. In the discontinuous Galerkin framework, the polynomial approximation for these quantities leads to large oscillations that obstruct the non-linear solver. Taking into account the complexity with high-order methods and the fairly large modeling errors of the RANS modeling, low-order methods are believed to be more pragmatic. However, it is illustrated that solving RANSE with high-order methods leads to significantly smaller error magnitudes compared with second-order finite volume based solvers. Additionally, there is a remarkable improvement regarding the number of iterations to obtain a converged solution. Attention is given to the treatment of the specific rate of turbulence dissipation \omega in the high-order framework. The possibilities and limitations of simulating industrial incompressible flows using discontinuous Galerkin based methods are assessed in order to draw some general conclusions for industrial applications. |
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| Variantes de titre : | Vers une discrétisation haut ordre compacte des équations de Navier-Stokes pour un écoulement incompressible sur des maillages non-structures. |
| Notes : | Thèse soutenue en co-tutelle Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Nantes) Partenaire(s) de recherche : Laboratoire de recherche en hydrodynamique, énergétique et environnement atmosphérique (Nantes) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Rémi Abgrall (Président du jury) ; Luis Eça, Michel Visonneau, Rémi Abgrall, Jean-François Remacle, Rubén Sevilla, Ganbo Deng, Sonia Fernandez-Mendez, Carlos Manuel Tiago (Membre(s) du jury) ; Jean-François Remacle, Rubén Sevilla (Rapporteur(s)) |
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