Orientador: Marcelo Martins dos Santos / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática Estatística e Computação Científica / Made available in DSpace on 2018-08-24T11:12:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Teixeira_EdsonJose_D.pdf: 1150959 bytes, checksum: b5b6e9eebd505ecc04e6ed04609b8f7a (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Neste trabalho estudamos a estrutura lagrangiana para o campo de velocidade solução das equações de Navier-Stokes para um fluido isentrópico compressível no semiespaço do R3, com a condição de fronteira de Navier. Consideramos a solução deste modelo obtida por David Hoff no artigo Compressible Flow in a Half-Space with Navier Boundary Conditions}, J. Math. Fluid Mech. 7 (2005) 315-338. Demonstramos que se a velocidade inicial pertence ao espaço de Sobolev H8 com 8 >1/2, então as curvas integrais do campo de velocidade, ou seja, as trajetórias de partículas, existem e são únicas, e mostramos também algumas propriedades desse fluxo / Abstract: In this work we study the Lagrangian structure for the velocity field of the Navier-Stokes equations for isentropic compressible fluid in the halfspace in R3 with the Navier boundary condition. We consider the solution of this model obtained by David Hoff in the paper (Compressible Flow in a Half-Space with Navier Boundary Conditions}, J. Math. Fluid Mech. 7 (2005) 315-338. Our main result states that if the initial velocity belongs to the Sobolev space H8, with 8 >1/2, then the integral curves of the velocity field, i.e. the particles paths, there exist and are unique. We also show some properties of this flow map / Doutorado / Matematica / Doutor em Matemática

O presente trabalho de pesquisa tem por objetivo estudar a paralelização de algoritmos voltados à solução de equações diferenciais parciais. Esses algoritmos são utilizados para gerar a solução numérica das equações de Navier-Stokes em um escoamento bidimensional incompressível de um fluido newtoniano. As derivadas espaciais são calculadas através de um método de diferenças finitas compactas com a utilização de aproximações de altas ordens de precisão. Uma vez que o cálculo de derivadas espaciais com alta ordem de precisão da forma compacta adotado no presente estudo requer a solução de sistemas lineares tridiagonais, é importante realizar estudos voltados a resolução desses sistemas, para se obter uma boa performance. Ressalta-se ainda que a solução de sistemas lineares também faz-se presente na solução numérica da equação de Poisson. Os resultados obtidos decorrentes da solução das equações diferenciais parciais são comparados com os resultados onde se conhece a solução analítica, de forma a verificar a precisão dos métodos implementados. Os resultados do código voltado à resolução das equações de Navier-Stokes paralelizado para simulação de escoamentos incompressíveis são comparados com resultados da teoria de estabilidade linear, para validação do código final. Verifica-se a performance e o speedup do código em questão, comparando-se o tempo total gasto em função do número de elementos de processamento utilizados / The objective of the present work is to study the parallelization of partial differential equations. The aim is to achieve an effective parallelization to generate numerical solution of Navier-Stokes equations in a two-dimensional incompressible and isothermal flow of a Newtonian fluid. The spatial derivatives are calculated using compact finite differences approximations of higher order accuracy. Since the calculation of spatial derivatives with high order adopted in the present work requires the solution of tridiagonal systems, it is important to conduct studies to solve these systems and achieve good performance. In addiction, linear systems solution is also present in the numerical solution of a Poisson equation. The results generated by the solution of partial differential equations are compared to analytical solution, in order to verify the accuracy of the implemented methods. The numerical parallel solution of a Navier-Stokes equations is compared with linear stability theory to validate the final code. The performance and the speedup of the code in question is also checked, comparing the execution time in function of the number of processing elements

Nous considérons dans cette thèse la discrétisation par la méthode spectrale et la simulation numérique de l'écoulement d'un fluide visqueux incompressible occupant le domaine ? modélisé par les équations de Navier-Stokes. Nous avons choisi de les coupler avec l'équation de la chaleur dans le cas ou la viscosité dépend de la température avec des conditions aux limites portant sur la vitesse et la température.La méthode s'avère optimale en ce sens que l'erreur obtenue n'est limitée que par la régularité de la solution. Elle est de type spectrale. Nous donnons des estimations d'erreur a priori optimales et nous confirmons l'étude théorique par des résultats numériques. Nous considérons aussi les équations de Navier-Stokes/chaleur instationnaires dont nous proposons une discrétisation en temps et en espace en utilisant le schéma d'Euler implicite et les méthodes spectrale. Quelques expériences numériques confirment l'intérêt de la discrétisation. / In this thesis we consider the discretization by spectral method and the numerical simulation of a viscous incompressible fluid in the domain ?, the model being the Navier-Stokes equations. We have chosen to couple them with the heat equation where the viscosity of the fluid depends on the temperature, with boundary conditions which involve the velocity and the temperature. The method is proved to be optimal in the sense that the order of convergence is only limited by the regularity of the solution. The numerical analysis of the discrete problem is performed and numerical experiments are presented, they turn out to be in good coherence with the theoretical results. Finally, we consider the unsteady Navier-Stokes/heat equations which models the time-dependent flow. We propose a discretization of this problem that relies on a backward Euler's scheme in time and spectral methods in space and present some numerical experiments which confirm the interest of the discretization.

La résolution numérique de n’importe quelle discrétisation d’équations aux dérivées partielles non linéaires requiert le plus souvent un algorithme itératif. En général, la discrétisation des équations aux dérivées partielles donne lieu à des systèmes de grandes dimensions. Comme la résolution des grands systèmes est très coûteuse en terme de temps de calcul, une question importante se pose: afin d’obtenir une solution approchée de bonne qualité, quand est-ce qu’il faut arrêter l’itération afin d’éviter les itérations inutiles ? L’objectif de cette thèse est alors d’appliquer, à différentes équations, une méthode qui nous permet de diminuer le nombre d’itérations de la résolution des systèmes en gardant toujours une bonne précision de la méthode numérique. En d’autres termes, notre but est d’appliquer une nouvelle méthode qui fournira un gain remarquable en terme de temps de calcul. Tout d’abord, nous appliquons cette méthode pour un problème non linéaire modèle. Nous effectuons l’analyse a priori et a posteriori de la discrétisation par éléments finis de ce problème et nous proposons par la suite deux algorithmes de résolution itérative correspondants. Nous calculons les estimations d’erreur a posteriori de nos algorithmes itératifs proposés et nous présentons ensuite quelques résultats d’expérience numériques afin de comparer ces deux algorithmes. Nous appliquerons de même cette approche pour les équations de Navier-Stokes. Nous proposons un schéma itératif et nous étudions la convergence et l’analyse a priori et a posteriori correspondantes. Finalement, nous présentons des simulations numériques montrant l’efficacité de notre méthode. / The numerical resolution of any discretization of nonlinear PDEs most often requires an iterative algorithm. In general, the discretization of partial differential equations leads to large systems. As the resolution of large systems is very costly in terms of computation time, an important question arises. To obtain an approximate solution of good quality, when is it necessary to stop the iteration in order to avoid unnecessary iterations? A posteriori error indicators have been studied in recent years owing to their remarkable capacity to enhance both speed and accuracy in computing. This thesis deals with a posteriori error estimation for the finite element discretization of nonlinear problems. Our purpose is to apply a new method that allows us to reduce the number of iterations of the resolution system while keeping a good accuracy of the numerical method. In other words, our goal is to apply a new method that provides a remarkable gain in computation time. For a given nonlinear equation we propose a finite element discretization relying on the Galerkin method. We solve the discrete problem using two iterative methods involving some kind of linearization. For each of them, there are actually two sources of error, namely discretization and linearization. Balancing these two errors can be very important, since it avoids performing an excessive number of iterations. Our results lead to the construction of computable upper indicators for the full error. Similarly, we apply this approach to the Navier-Stokes equations. Several numerical tests are provided to evaluate the efficiency of our indicators.

Nous nous intéressons dans cette thèse aux équations de Navier-Stokes pour un fluide visqueux incompressible. Dans la première partie, nous étudions le cas d’un fluide homogène. Rappelons que la grande question de la régularité globale en dimension 3 est plus ouverte que jamais : on ne sait pas si la solution de l’équation correspondant à un état initial suffisamment régulier mais arbitrairement loin du repos, va perdurer indéfiniment dans cet état (régularité globale) ou exploser en temps fini(singularité). Une façon d’aborder le problème est de supposer cette éventuelle rupture de régularité et d’envisager les différents scenarii possibles. Après un rapide survol de la structure propre aux équations de Navier-Stokes et des résultats connus à ce jour (chapitre 1), nous nous intéressons(chapitre 2) à l’existence locale (en temps) de solutions dans des espaces de Sobolev qui ne sont pas invariants d’échelle. Partant d’une donnée initiale qui produit une singularité, on prouve l’existence d’une constante optimale qui minore le temps de vie de la solution. Cette constante, donnée parla méthode rudimentaire du point fixe, fournit ainsi un bon ordre de grandeur sur le temps de vie maximal de la solution. Au chapitre 3, nous poursuivons les investigations sur le comportement de telles solutions explosives à la lumière de la méthode des éléments critiques.Dans le seconde partie de la thèse, nous sommes intéressés à un modèle plus réaliste du point de vue de la physique, celui d’un fluide incompressible à densité variable. Ceci est modélisé par les équations de Navier-Stokes incompressible et inhomogènes. Nous avons étudié le caractère globalement bien posé de ces équations dans la situation d’un fluide évoluant dans un tore de dimension 3, avec des données initiales appartenant à des espaces critiques et sans hypothèse de petitesse sur la densité. / This thesis is concerned with incompressible Navier-Stokes equations for a viscous fluid. In the first part, we study the case of an homogeneous fluid. Let us recall that the big question of the global regularity in dimension 3 is still open : we do not know if the solution associated with a data smooth enough and far from the immobile stage will last over time (global regularity) or on the contrary will stop living in finite time and blow up (singularity). The goal of this thesis is to study this regularity break. One way to deal witht his question is to assume that such a phenomen on occurs and to study differents scenarii. The chapter 1 is devoted to a recollection of well-known results. In chapter 2, we are interesting in the local (in time) existence of a solution in some Sobolev spaces which are not invariant under the natural sclaing of Navier-Stokes. Starting with a data generating a singularity, we can prove there exists an optimal lower boundary of the lifes pan of such a solution. In this way, the lower boundary provided by the elementary procedure of fixed-point, gives the correctorder of magnitude. Then, we keep on investigations about the behaviour of regular solution near the blow up, thanks to the method of critical elements (chapter 3).In the second part, we are concerned with a more relevant model, from a physics point of view : the inhomogeneous Navier-Stokes system. We deal with the global well poseness of such a model for a inhomogeneous fluid, evolving on a tor us in dimension 3, with critical data and without smallnes sassumption on the density.

Dans cette thèse on étudie des équations de la mécanique des fluides. On considère deux modèles : les équations de Navier-Stokes équation dans R3 en présence d'une force extérieure, et l'équation de Prandtl dans le demi plan. Pour le système de Navier-Stokes, on s'intéresse à l'existence locale en temps, l'unicité, le comportement global en temps et des critères d'explosion. Pour l'équation de Prandtl dans le demi plan, on s'intéresse à la régularité Gevrey. Le manuscrit est constitué de quatre chapitres. Dans le premier chapitre, on introduit quelques concepts de base sur les équations de la mécanique des fluides et on rappelle le sens physique des deux modèles précédents ainsi que quelques résultats mathématiques. Ensuite on énonce brièvement nos principaux résultats et les motivations. Enfin on mentionne quelques problèmes ouverts. Le second chapitre est consacré au problème de Cauchy pour les équations de Navier-Stokes dans R3 en présence d'une petite force extérieure, peu régulière. On démontre l'existence locale en temps pour ce système pour toute donnée initiale appartenant à un espace de Besov critique avec régularité négative. On obtient de plus trois résultats d'unicité pour ces solutions. Enfin on étudie le comportement en temps grand et la stabilité de solutions a priori globales. Le troisième chapitre traite d'un critère d'explosion pour les équations de Navier-Stokes avec une force extérieure indépendante du temps. On met en place une décomposition en profils pour les équations de Navier-Stokes forcées. Cette décomposition permet de faire un lien entre les équations forcées et non forcées, ce qui permet de traduire une information d'explosion de la solution non forcée vers la solution forcée. Dans le Chapitre 4 on étudie l'effet régularisant Gevrey de la solution locale en temps de l'équation de Prandtl dans le demi plan. Il est bien connu que l'équation de couche limite de Prandtl est instable pour des données initiales générales, et bien posée dans des espaces de Sobolev pour des données initiales monotones. Sous une hypothèse de monotonie de la vitesse tangentielle du flot, on démontre la régularité Gevrey pour la solution de l'équation de Prandtl dans le demi plan pour des données initiales dans un espace de Sobolev. / This thesis deals with equations of fluid dynamics. We consider the following two models: one is the Navier-Stokes equation in R3 with an external force, the other one is the Prandtl equation on the half plane. For the Navier-Stokes system, we focus on the local in time existence, uniqueness, long-time behavior and blowup criterion. For the Prandtl equation on the half-plane, we consider the Gevrey regularity. This thesis consists in four chapters. In the first chapter, we introduce some background on equations of fluid dynamics and recall the physical meaning of the above two models as well as some well-known mathematical results. Next, we state our main results and motivations briefly. At last we mention some open problems. The second chapter is devoted to the Cauchy problem for the Navier-Stokes equation equipped with a small rough external force in R3. We show the local in time existence for this system for any initial data belonging to a critical Besov space with negative regularity. Moreover we obtain three kinds of uniqueness results for the above solutions. Finally, we study the long-time behavior and stability of priori global solutions.The third chapter deals with a blow-up criterion for the Navier-Stokes equation with a time independent external force. We develop a profile decomposition for the forced Navier-Stokes equation. The decomposition enables us to connect the forced and the unforced equations, which provides the blow-up information from the unforced solution to the forced solution. In Chapter 4, we study the Gevrey smoothing effect of the local in time solution to the Prandtl equation in the half plane. It is well-known that the Prandtl boundary layer equation is unstable for general initial data, and is well-posed in Sobolev spaces for monotonic initial data. Under a monotonicity assumption on the tangential velocity of the outflow, we prove Gevrey regularity for the solution to Prandtl equation in the half plane with initial data belonging to some Sobolev space.

En turbulence pleinement développée et incompressible, on constate que l’énergie cinétique d’unécoulement est dissipée à un taux indépendant du nombre de Reynolds. C’est la loi zéro de la turbulence.Cette loi, qui fut découverte en 1935 par Taylor, a eu de nombreuses confirmations expérimentaleset numériques, et est au coeur de notre compréhension de la physique des régimes turbulents. Dansles années qui suivirent, Taylor proposa un mécanisme pour rendre compte de la loi zéro, basé sur laviscosité et sur l’idée d’une cascade d’énergie à travers les échelles. En 1949, Onsager se rend comptequ’une dissipation d’énergie peut aussi se produire sans l’assistance des forces visqueuses à petite échellesi le champ de vitesse devient suffisamment irrégulier, et propose une conjecture sur la régularité minimaleque devrait satisfaire le champ de vitesse pour assurer la conversation de l’énergie en l’absencede viscosité. En 2000, deux mathématiciens français, Jean Duchon et Raoul Robert, formalise pour lapremière fois les idées d’Onsager dans un cadre mathématique rigoureux. Ils établissent la forme exactede la dissipation d’énergie émanant de l’existence possible de singularités, et I’expriment en fonctiondes incréments de vitesse. Cependant, la pertinence de ces concepts en turbulence expérimentale resteà établir, et n’a jamais été étudiée.Dans cette thèse, nous proposons les premiers tests des idées d’Onsager à partir de données expérimentales,en se basant sur le travail de Duchon et Robert. Pour cela, nous nous plaçons dans le cadredes écoulements de von Kármán où la régularité des équations de Navier-Stokes n’est pas connue. Nousutilisons des mesures de vélocimétrie par image de particules pour obtenir les trois composantes duchamp de vitesse dans un plan méridien, et ainsi calculer ses incréments à l’échelle de résolution de notresystème de mesure. Le résultat principal de ce travail est la mise en évidence du caractère non-trivialdes écoulements turbulents à l’échelle de Kolmogorov, où l’on observe des topologies très irrégulièresdu champ de vitesse coïncidant avec des évènements extrêmes de transferts inertiels d’énergie. / The zeroth law of turbulence states that fully developed turbulent incompressible flows dissipatetheir kinetic energy independently of the Reynolds number. Since its discovery by Taylor in 1935, thislaw has had many experimental and numerical confirmations, and is at the heart of our understandingof turbulence. In the following years, Taylor proposed a mechanism for the zeroth law, based onviscosity and the idea of a cascade of energy through scales. In 1949, Onsager realized that energydissipation could occur without the final assistance by viscosity at small scales if the velocity fieldbecomes sufficiently irregular, and conjectured the minimum regularity condition above which energyconservation is ensured in the absence of viscosity. In 2000, two french mathematicians, Jean Duchonand Raoul Robert, were able to derive the analytical expression for the inertial dissipation in termsof velocity increments, along with the corresponding energy balance. However, the relevance of theseideas for real turbulence has never been studied.In this thesis, we present the first tests of Onsager’s idea from experimental data, based on thework of Duchon and Robert. We enter the framework of von Kármán flows for which the regularity ofNavier-Stokes equations is unknown. We use particle image velocimetry measurements which provideus with the three components of the velocity field on a meridional plane, and allows for the computationof velocity increments at the resolution scale of our measurement set-up. In this work, we point out thenon-trivial character of turbulent flows at the Kolmogorov scale, where we observe irregular

Dans le contexte de l’acoustique on a systématisé la dérivation de modèles nonlinéaires(l’équation de Kuznetsov, l’équation KZK et la NPE). On a estimé le temps pourlequel des solutions régulières de ces modèles restent proches des solutions des systèmes deNavier-Stokes/Euler compressibles isentropiques (en précisant leur plus faible régularité) etétabli les résultats analogues entre les solutions des équations de KZK, NPE et Westerveltpar rapport à la solution de l’équation de Kuznetsov. Pour ce faire, on a étudié l’équationde Kuznetsov en commençant par le problème de Cauchy dans les cas visqueux (stabilité,unicité et existence globale des solutions régulières) et non-visqueux (caractère bien poséavec les estimations optimales du temps d’existence maximale des solutions régulières) etégalement dans un demi espace avec des conditions au limites périodiques en temps oudans un espace périodique dans une direction. On a aussi obtenu l’existence et l’unicité dessolutions faibles pour l’équation des ondes fortement amortie et l’équation deWestervelt surla plus large classe de domaines aux bords irréguliers, ainsi que la convergence asymptotiquedes solutions de l’équation de Westervelt avec conditions de Robin sur les bords préfractalsapproximant un bord fractal de type mixture de Koch. / In the framework of acoustic we systematize the derivation of nonlinear models(the Kuznetsov equation, the KZK equation and the NPE). We estimate the time for whichthe regular solutions of these models stay close of the solutions of the compressible isentropicNavier-Stokes/Euler systems (pointing out their weakest regularity) and establish similarresults between the solutions of the KZK, NPE and Westervelt equations with respectto the solutions of the Kuznetsov equation. To do so, we study the Kuznetsov equationbeginning by the Cauchy problem in the viscous case (stability, gobal well posedness ofregular solutions) and inviscid case (well posedness with optimal estimations of the maximalexistence time for regular solutions) and also in the half space with time periodic boundaryconditions or in a periodic in one direction space. We also obtain the existence and unicityof weak solutions for the strongly damped wave equation and the Westervelt equation in thelargest class of domains with irregular boundaries, along with the asymptotic convergenceof the solutions of the Westervelt equation with Robin boundary conditions on prefractalboundaries approximating a Koch mixture as fractal boundary.

This thesis explores the application of Radial Basis Functions (RBFs) to fluid dynamical problems. In particular, stationary Stokes and Navier-Stokes equations are solved using RBF collocation method. An existing approach from the literature, is enchanced by an additional polynomial basis and a new preconditioner. A faster method based on the partition of unity is introduced for stationary Stokes equations. Finally, a global method based on Picard linearization is introduced for stationary Navier-Stokes equations. / Denna avhandling utforskar tillämpningen av Radial Basis Functions (RBF) på dynamiska problem med vätskor. I synnerhet löses stationära Stokes och Navier-Stokes ekvationer lösas med hjälp av RBF-samlokaliseringsmetoden. En befintlig metod från litteraturen, förbättras genom en ytterligare polynombas och en ny förkonditionering. En snabbare metod baserad på enhetens partition introduceras för stationära Stokes-ekvationer. Slutligen introduceras en global metod baserad på Picard linjärisering för stationära Navier-Stokes ekvationer.

This thesis is concerned with the further development and analysis of a class of Computational Fluid Dynamics (CFD) methods for the numerical simulation of compressible flows on unstructured grids, known as Residual Distribution (RD).<p>The RD method constitutes a class of discretization schemes for hyperbolic systems <p>of conservation laws, which forms an attractive alternative to the more classical Finite Volume methods, particularly since it allows better representation of the flow physics by genuinely multi-dimensional upwinding and offers second-order accuracy on a compact stencil.<p><p>Despite clear advantages of RD schemes, they also have some unexpected anomalies in common with Finite Volume methods and an attempt to resolve them is presented. The most notable anomaly is the violation of the entropy condition, which as a consequence allows unphysical expansion shocks to exist in the numerical solution. In the thesis the genuinely multi-dimensional character of this anomaly is analyzed and a multi-dimensional entropy fix is presented and shown to avoid expansion shocks. Another infamous anomaly is the carbuncle phenomenon, an instability observed in many numerical solutions with strong shocks, such as the bow shock on a blunt body in hypersonic flow. The occurence of the carbuncle phenomenon with RD methods is analyzed and a novel formulation for a shock fix, based on an anisotropic diffusion term added in the shock layer, is presented and shown to cure the anomaly in 2D and 3D hypersonic flow problems.<p><p>In the present work an effort has been made also to an objective and quantitative assessment of the merits of the RD method for typical aerodynamical engineering applications, such as the transonic flow over airfoils and wings.<p>Validation examples including inviscid, laminar as well as high Reynolds number turbulent flows <p>and comparisons against results from state-of-the-art Finite Volume methods are presented.<p>It is shown that the second-order multi-dimensional upwind RD schemes have an accuracy which is at least as good as second-order FV methods using dimension-by-dimension upwinding and that their main advantage lies in providing excellent monotone shock capturing. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished