L'étude du transfert de chaleur et de masse dans les milieux poreux saturés et insaturés fortement chauffés à leur surface possèdent de nombreuses applications, notamment en archéologie, en agriculture et en géothermie. La première partie de ce travail concerne l'amélioration de la méthode AHC (Accumulation de chaleur latente) qui permet de traiter le changement de phase, dans un milieu homogène : l'intervalle de changement de température au moment du changement de phase apparaît comme un paramètre important, et il doit être choisi proportionnel à la taille des mailles. Des résultats à la fois précis et lisses sont obtenus grâce à un raffinement du maillage localisé près de l'interface de changement de phase. La deuxième partie se rapporte à l'estimation des propriétés thermophysiques du sol par problème inverse à l'aide de données à la fois synthétiques et expérimentales. La méthode de Gauss-Newton avec relaxation et l'algorithme de Levenberg-Marquardt sont utilisés pour résoudre le problème inverse. Le choix de l'intervalle de température de la méthode AHC apparaît crucial : la convergence n'est obtenue parfois qu'au prix d'un enchaînement de plusieurs problèmes inverses. La troisième partie présente un modèle simple pour calculer la conductivité thermique effective d'un milieu granulaire contenant une faible quantité d'eau liquide. La forme exacte de ces ménisques est calculée à l'équilibre. Les résultats montrent un phénomène très net d'hystérésis quand on étudie la variation de la conductivité thermique effective en fonction de la quantité d'eau liquide ; un futur travail concernant un nouveau modèle insaturé, limité au cas du régime pendulaire et présenté à la fin de cette thèse, devrait pouvoir utiliser ces résultats. / In this work, we are interested in studying heat and mass transfer in water saturated and unsaturated porous medium with a strong heating at the surface. Applications concerned are archaeology, agriculture and geothermal engineering. The first part of this work concerns the improvement of the AHC (Apparent Heat Capacity) method used in the numerical resolution of phase change problem in a homogeneous medium: the phase change temperature interval, over which the heat capacity varies, appears as a key parameter which must be chosen proportional to the mesh size. Accurate and smooth results are obtained thanks to a local refinement of the mesh near the phase change interface. The second part is about the estimation of the thermophysical properties of the soil by inverse problem using both synthetic and experimental data. The Damped Gauss-Newton and the Levenberg-Marquardt algorithms are used to solve the problem. In relation with the AHC method, the choice of the phase change temperature interval caused convergence problems which have been fixed by chaining many inverse problems. The obtained results show good convergence to the desired solution. The third part presents a simple model to calculate the effective thermal conductivity of a granular medium which contains a small quantity of liquid water. The exact shape of the liquid menisci between the grains is calculated at equilibrium. The effective thermal conductivity experiences a hysteresis behavior with respect to the liquid volume. A future work that concerns a new unsaturated model, restricted to the pendular regime and detailed at the end of this thesis, should be able to use this result.

Heat transfer and solidification models were developed for use in a numerical model of a continuous caster to provide a means of predicting how the developing shell would react under variable operating conditions. Measurement data of the operating conditions leading up to a breakout occurrence were provided by an industrial collaborator and were used to define the model boundary conditions. Steady-state and transient simulations were conducted, using boundary conditions defined from time-averaged measurement data. The predicted shell profiles demonstrated good agreement with thickness measurements of a breakout shell segment – recovered from the quarter-width location. Further examination of the results with measurement data suggests pseudo-steady assumption may be inadequate for modeling shell and flow field transition period following sudden changes in casting speed. An adaptive mesh refinement procedure was established to increase refinement in areas of predicted shell growth and to remove excess refinement from regions containing only liquid. A control algorithm was developed and employed to automate the refinement procedure in a proof-of-concept simulation. The use of adaptive mesh refinement was found to decrease the total simulation time by approximately 11% from the control simulation – using a static mesh.

This paper is concerned with mesh refinement techniques for treating elliptic boundary value problems in domains with re- entrant edges and corners, and focuses on numerical experiments. After a section about the model problem and discretization strategies, their realization in the experimental code FEMPS3D is described. For two representative examples the numerically determined error norms are recorded, and various mesh refinement strategies are compared.

Dans un contexte industriel, l’utilisation de modèles diphasiques d’ordre réduit est nécessaire pour pouvoir effectuer des simulations numériques prédictives d’injection de combustible liquide dans les chambres de combustion automobiles et aéronautiques, afin de concevoir des équipements plus performants et moins polluants. Le processus d’atomisation du combustible, depuis sa sortie de l’injecteur sous un régime de phases séparées, jusqu’au brouillard de gouttelettes dispersées, est l’un des facteurs clés d’une combustion de bonne qualité. Aujourd’hui cependant, la prise en compte de toutes les échelles physiques impliquées dans ce processus nécessite une avancée majeure en termes de modélisation, de méthodes numériques et de calcul haute performance (HPC). Ces trois aspects sont abordés dans cette thèse. Premièrement, des modèles de mélange, dérivés par le principe variationnel de Hamilton et le second principe de la thermodynamique sont étudiés. Ils sont alors enrichis afin de pouvoir décrire des pulsations des interfaces au niveau de la sous-échelle. Des comparaisons avec des données expérimentales dans un contexte de milieux à bulles permettent de vérifier la cohérence physique des modèles et de valider la méthodologie. Deuxièmement, une stratégie de discrétisation est développée, basée sur une séparation d’opérateur, permettant la résolution indépendante de la partie convective des systèmes à l’aide de solveurs de Riemann approchés standards et les termes sources à l’aide d’intégrateurs d’équations différentielles ordinaires. Ces différentes méthodes répondent aux particularités des systèmes diphasiques compressibles, ainsi qu’au choix de l’utilisation de maillages adaptatifs (AMR). Pour ces derniers, une stratégie spécifique est développée : il s’agit du choix de critères de raffinement et de la projection de la solution d’une grille à une autre (plus fine ou plus grossière). Enfin, l’utilisation de l’AMR dans un cadre HPC est rendue possible grâce à la bibliothèque AMR p4est, laquelle a montré une excellente scalabilité jusqu’à plusieurs milliers de coeurs de calcul. Un code applicatif, CanoP, a été développé et permet de simuler des écoulements fluides avec des méthodes de volumes finis sur des maillages AMR. CanoP pourra être utilisé pour des futures simulations d’atomisation liquide. / In an industrial context, reduced-order two-phase models are used in predictive simulations of the liquid fuel injection in combustion chambers and help designing more efficient and less polluting devices. The combustion quality strongly depends on the atomization process, starting from the separated phase flow at the exit of the nozzle down to the cloud of fuel droplets characterized by a disperse-phase flow. Today, simulating all the physical scales involved in this process requires a major breakthrough in terms of modeling, numerical methods and high performance computing (HPC). These three aspects are addressed in this thesis. First, we are interested in mixture models, derived through Hamilton’s variational principle and the second principle of thermodynamics. We enrich these models, so that they can describe sub-scale pulsations mechanisms. Comparisons with experimental data in a context of bubbly flows enables to assess the models and the methodology. Based on a geometrical study of the interface evolution, new tracks are then proposed for further enriching the mixture models using the same methodology. Second, we propose a numerical strategy based on finite volume methods composed of an operator splitting strategy, approximate Riemann solvers for the resolution of the convective part and specific ODE solvers for the source terms. These methods have been adapted so as to handle several difficulties related to two-phase flows, like the large acoustic impedance ratio, the stiffness of the source terms and low-Mach issues. Moreover, a cell-based Adaptive Mesh Refinement (AMR) strategy is considered. This involves to develop refinement criteria, the setting of the solution values on the new grids and to adapt the standard methods for regular structured grids to non-conforming grids. Finally, the scalability of this AMR tool relies on the p4est AMR library, that shows excellent scalability on several thousands cores. A code named CanoP has been developed and enables to solve fluid dynamics equations on AMR grids. We show that CanoP can be used for future simulations of the liquid atomization.

The effect of building geometry on the wind environment of cities is such that it can cause problems like wind danger, discomfort and poor ventilation of airborne pollutants. Computational fluid dynamics (CFD) can play a role in assessing changes in wind environment caused by building projects before realisation at little cost. However, the current state-of-the-art methods, RANS and LES, force a steep trade-off between accuracy and computational cost, and neither method is truly predictive. Time-resolved adaptive direct finite element simulation (DFS) is a method for CFD that is predictive and automatically optimises the mesh for a goal quantity, making it both efficient and accurate. In this thesis, DFS was implemented in FEniCS and used on basic validation cases to provide a proof of concept for the use of this method in the building aerodynamics, on resources freely available to anyone. The results show that the method is accurate to within 10% of the validation data with respect to the goal quantity. Visually, the expected flow features are clearly identifiable. DFS was successfully applied to a relatively complicated building geometry, with a total computation time of about 120 core-hours. We conclude that DFS has significant potential as a method for evaluating urban wind environments. Furthermore, because of its ease of use and lack of parameters, DFS can play an important role in helping architects, designers and students understand the effect of urban geometries on the wind environment. This report provides a basis for further research on DFS for building aerodynamics, as validation on more diverse urban geometries is still necessary. / Effekten av byggnaders form och geometri är så viktig att den kan ge problem för ventilation av t.ex. föroreningar, för energieffektivitet, och för vindfaror med t.ex. hög vindhastihet som kan vara farligt eller skapa obehag. Beräkningsströmningsdynamik (CFD) kan ha en roll i bedömningen av byggnadsprojekt i ett tidigt skede till liten kostnad. Dock är de etablerade och ledande metodikerna, RANS och LES, inte prediktiva och tvingar fram en kompromiss mellan beräkningskosnad och noggrannhet. Vår metodik “Time-resolved adaptive direct finite element simulation” (DFS) är en metod för CFD som är prediktiv och automatiskt optimerar beräkningsnätet (och därmed beräkningskostnaden) för en given målkvantitet, som ger både effektivitet och noggrannhet. I denna avhandling implementerades DFS i FEniCS och användes i grundläggande valideringsfall för att ge ett proof of conceptför användning av denna metod i byggnadsaerodynamik, på resurser som är fritt tillgängliga för alla. Resultaten visar att metoden är korrekt inom 10% av valideringsdata med avseende på målkvantiteten. Visuellt är de förväntade flödesfunktionerna tydligt identifierbara. DFS applicerades framgångsrikt på en relativt komplicerad byggnadsgeometri med en total beräkningstid på cirka 120 kärntimmar, vilket är en försumbar kostnad. Vi drar slutsatsen att DFS har en betydande potential som metod för utvärdering av stadsvindmiljöer. Dessutom, på grund av dess användarvänlighet och frihet från parametrar, kan DFS spela en viktig roll för att hjälpa arkitekter, designers och studenter att förstå effekterna av stadsgeometrier på vindmiljön. Denna rapport ger en grund för vidare forskning om DFS för aerodynamik, eftersom validering av mer olika stadsgeometrier fortfarande är nödvändig.

Cette thèse porte sur la modélisation de l’écoulement et du transport en milieu poreux ;nous effectuons des simulations numériques et démontrons des résultats de convergence d’algorithmes.Au Chapitre 1, nous appliquons des méthodes de volumes finis pour la simulation d’écoulements à densité variable en milieu poreux ; il vient à résoudre une équation de convection diffusion parabolique pour la concentration couplée à une équation elliptique en pression.Nous nous appuyons sur la méthode des volumes finis standard pour le calcul des solutions de deux problèmes spécifiques : une interface en rotation entre eau salée et eau douce et le problème de Henry. Nous appliquons ensuite la méthode de volumes finis généralisés SUSHI pour la simulation des mêmes problèmes ainsi que celle d’un problème de bassin salé en dimension trois d’espace. Nous nous appuyons sur des maillages adaptatifs, basés sur des éléments de volume carrés ou cubiques.Au Chapitre 2, nous nous appuyons de nouveau sur la méthode de volumes finis généralisés SUSHI pour la discrétisation de l’équation de Richards, une équation elliptique parabolique pour le calcul d’écoulements en milieu poreux. Le terme de diffusion peut être anisotrope et hétérogène. Cette classe de méthodes localement conservatrices s’applique àune grande variété de mailles polyédriques non structurées qui peuvent ne pas se raccorder.La discrétisation en temps est totalement implicite. Nous obtenons un résultat de convergence basé sur des estimations a priori et sur l’application du théorème de compacité de Fréchet-Kolmogorov. Nous présentons aussi des tests numériques.Au Chapitre 3, nous discrétisons le problème de Signorini par un schéma de type gradient,qui s’écrit à l’aide d’une formulation variationnelle discrète et est basé sur des approximations indépendantes des fonctions et des gradients. On montre l’existence et l’unicité de la solution discrète ainsi que sa convergence vers la solution faible du problème continu. Nous présentons ensuite un schéma numérique basé sur la méthode SUSHI.Au Chapitre 4, nous appliquons un schéma semi-implicite en temps combiné avec la méthode SUSHI pour la résolution numérique d’un problème d’écoulements à densité variable ;il s’agit de résoudre des équations paraboliques de convection-diffusion pour la densité de soluté et le transport de la température ainsi que pour la pression. Nous simulons l’avance d’un front d’eau douce assez chaude et le transport de chaleur dans un aquifère captif qui est initialement chargé d’eau froide salée. Nous utilisons des maillages adaptatifs, basés sur des éléments de volume carrés. / This thesis bears on the modelling of groundwater flow and transport in porous media; we perform numerical simulations by means of finite volume methods and prove convergence results. In Chapter 1, we first apply a semi-implicit standard finite volume method and then the generalized finite volume method SUSHI for the numerical simulation of density driven flows in porous media; we solve a nonlinear convection-diffusion parabolic equation for the concentration coupled with an elliptic equation for the pressure. We apply the standard finite volume method to compute the solutions of a problem involving a rotating interface between salt and fresh water and of Henry's problem. We then apply the SUSHI scheme to the same problems as well as to a three dimensional saltpool problem. We use adaptive meshes, based upon square volume elements in space dimension two and cubic volume elements in space dimension three. In Chapter 2, we apply the generalized finite volume method SUSHI to the discretization of Richards equation, an elliptic-parabolic equation modeling groundwater flow, where the diffusion term can be anisotropic and heterogeneous. This class of locally conservative methods can be applied to a wide range of unstructured possibly non-matching polyhedral meshes in arbitrary space dimension. As is needed for Richards equation, the time discretization is fully implicit. We obtain a convergence result based upon a priori estimates and the application of the Fréchet-Kolmogorov compactness theorem. We implement the scheme and present numerical tests. In Chapter 3, we study a gradient scheme for the Signorini problem. Gradient schemes are nonconforming methods written in discrete variational formulation which are based on independent approximations of the functions and the gradients. We prove the existence and uniqueness of the discrete solution as well as its convergence to the weak solution of the Signorini problem. Finally we introduce a numerical scheme based upon the SUSHI discretization and present numerical results. In Chapter 4, we apply a semi-implicit scheme in time together with a generalized finite volume method for the numerical solution of density driven flows in porous media; it comes to solve nonlinear convection-diffusion parabolic equations for the solute and temperature transport as well as for the pressure. We compute the solutions for a specific problem which describes the advance of a warm fresh water front coupled to heat transfer in a confined aquifer which is initially charged with cold salt water. We use adaptive meshes, based upon square volume elements in space dimension two.

Nous présentons une contribution autour de la modélisation des écoulements viscoplastiques. En vue d'applications réalistes telle que la simulation numérique des coulées de lave volcanique, le travail se concentre particulièrement sur les fluides complexes dont la rhéologie dépend fortement de grandeurs physiques telle que la température ou la concentration en particule. Nous développons un nouvel algorithme de résolution numérique des équations de Herschel-Bulkley combinant une méthode de Lagrangien augmenté à paramètre d'augmentation variable, une méthode des caractéristiques d'ordre 2 et une adaptation de maillage automatique. Sur des problèmes stationnaires ou en évolution tel que le problème test de la cavité entraînée, il apporte une solution efficace pour garantir à la fois une précision numérique élevée et un temps de calcul raisonnable. Cet algorithme est ensuite étendue et adapté au cas des rhéologies non-isothermes et aux suspensions. Concernant la simulation numérique des coulées de lave volcanique, nous détaillons une méthode de réduction par analyse asymptotique des équations de Herschel-Bulkley pour des écoulements de faible épaisseur sur une topographie arbitraire. Elle permet alors de décrire ces écoulements tridimensionnels de fluides viscoplastiques à surface libre par des équations bidimensionnelles surfaciques. Cette approche est ensuite étendue au cas non-isotherme en y ajoutant l'équation de la chaleur et des dépendances thermiques sur la rhéologie. Par intégration verticale de l'équation de la chaleur, on retrouve un modèle bidimensionnel. Le modèle non-isotherme est validé sur une expérience de dôme réalisée en laboratoire et une simulation numérique est réalisée autour d'une coulée qui a eu lieu sur le volcan du Piton de la Fournaise à la Réunion, en décembre 2010. La comparaison donne des résultats qui sont de notre point de vue satisfaisants et encourageants. / We present a contribution about modeling of viscoplastic flows. For realistic applications such as numerical simulation of volcanic lava flows, the work focuses particularly on complex fluids whose rheology strongly depends on physical quantities such as temperature or the particle concentration. We develop a new numerical resolution algorithm of Herschel-Bulkley's equations combining an augmented Lagrangian method with variable augmentation parameter, a second order characteristic method and an auto-adaptive mesh procedure. On stationary or evolving problems as the lid-driven cavity flow benchmark, it provides an effective solution to ensure both a high numerical accuracy within a reasonable computing time. This algorithm is then extended and adapted to the case of non-isothermal rheological and suspensions. On the numerical simulation of volcanic lava flows, we describe a method of reducing by asymptotic analysis of the Herschel-Bulkley's equations for thin flows on arbitrary topography. It allows to describe the three-dimensional flows of viscoplastic fluid with free surface by bidimensional surface equations. This approach is then extended to the non-isothermal case by adding the heat equation and thermal dependencies on rheology. By vertical integration of the heat equation, a two-dimensional model is maintained . The non-isothermal model is validated on a laboratory experiment of dome and a numerical simulation is performed on a December 2010 Piton de la Fournaise lava flow from La Réunion island. In our view, the comparison gives satisfactory and encouraging results.

Nous présentons une contribution autour de la modélisation des écoulements viscoplastiques. En vue d'applications réalistes telle que la simulation numérique des coulées de lave volcanique, le travail se concentre particulièrement sur les fluides complexes dont la rhéologie dépend fortement de grandeurs physiques telle que la température ou la concentration en particule. Nous développons un nouvel algorithme de résolution numérique des équations de Herschel-Bulkley combinant une méthode de Lagrangien augmenté à paramètre d'augmentation variable, une méthode des caractéristiques d'ordre 2 et une adaptation de maillage automatique. Sur des problèmes stationnaires ou en évolution tel que le problème test de la cavité entraînée, il apporte une solution efficace pour garantir à la fois une précision numérique élevée et un temps de calcul raisonnable. Cet algorithme est ensuite étendue et adapté au cas des rhéologies non-isothermes et aux suspensions. Concernant la simulation numérique des coulées de lave volcanique, nous détaillons une méthode de réduction par analyse asymptotique des équations de Herschel-Bulkley pour des écoulements de faible épaisseur sur une topographie arbitraire. Elle permet alors de décrire ces écoulements tridimensionnels de fluides viscoplastiques à surface libre par des équations bidimensionnelles surfaciques. Cette approche est ensuite étendue au cas non-isotherme en y ajoutant l'équation de la chaleur et des dépendances thermiques sur la rhéologie. Par intégration verticale de l'équation de la chaleur, on retrouve un modèle bidimensionnel. Le modèle non-isotherme est validé sur une expérience de dôme réalisée en laboratoire et une simulation numérique est réalisée autour d'une coulée qui a eu lieu sur le volcan du Piton de la Fournaise à la Réunion, en décembre 2010. La comparaison donne des résultats qui sont de notre point de vue satisfaisants et encourageants. / We present a contribution about modeling of viscoplastic flows. For realistic applications such as numerical simulation of volcanic lava flows, the work focuses particularly on complex fluids whose rheology strongly depends on physical quantities such as temperature or the particle concentration. We develop a new numerical resolution algorithm of Herschel-Bulkley's equations combining an augmented Lagrangian method with variable augmentation parameter, a second order characteristic method and an auto-adaptive mesh procedure. On stationary or evolving problems as the lid-driven cavity flow benchmark, it provides an effective solution to ensure both a high numerical accuracy within a reasonable computing time. This algorithm is then extended and adapted to the case of non-isothermal rheological and suspensions. On the numerical simulation of volcanic lava flows, we describe a method of reducing by asymptotic analysis of the Herschel-Bulkley's equations for thin flows on arbitrary topography. It allows to describe the three-dimensional flows of viscoplastic fluid with free surface by bidimensional surface equations. This approach is then extended to the non-isothermal case by adding the heat equation and thermal dependencies on rheology. By vertical integration of the heat equation, a two-dimensional model is maintained . The non-isothermal model is validated on a laboratory experiment of dome and a numerical simulation is performed on a December 2010 Piton de la Fournaise lava flow from La Réunion island. In our view, the comparison gives satisfactory and encouraging results.

Ideal magnetohydrodynamics (MHD) simulations are known to have problems in satisfying the solenoidal constraint (i.e. the divergence of magnetic field should be equal to zero, $<p>ablacdotvec{B} = 0$). The simulations become unstable unless specific measures have been taken.<p><p>In this thesis, a solenoidal constraint satisfying technique that allows discrete satisfaction of the solenoidal constraint up to the machine accuracy is presented and validated with a variety of test cases. Due to its inspiration from Chorin's artificial compressibility method developed for incompressible CFD applications, the technique was named as \ / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Formoptimierung bezeichnet die Bestimmung der Geometrischen Gestalt eines Gebietes auf dem eine partielle Differentialgleichung (PDE) wirkt, sodass bestimmte gegebene Zielgrößen, welche von der Lösung der PDE abhängen, Extrema annehmen. Bei der Diskret Adjungierten Methode wird der Gradient einer Zielgröße bezüglich einer beliebigen Anzahl von Formparametern mit Hilfe der Lösung einer adjungierten Gleichung der diskretisierten PDE effizient ermittelt. Dieser Gradient wird dann in Verfahren der numerischen Optimierung verwendet um eine optimale Lösung zu suchen. Da sowohl die Zielgröße als auch der Gradient für die diskretisierte PDE ermittelt werden, sind beide zunächst vom verwendeten Netz abhängig. Bei groben Netzen sind sogar Unstetigkeiten der diskreten Zielfunktion zu erwarten, wenn bei Änderungen der Formparameter sich das Netz unstetig ändert (z.B. Änderung Anzahl Knoten, Umschalten der Konnektivität). Mit zunehmender Feinheit der Netze verschwinden jedoch diese Unstetigkeiten aufgrund der Konvergenz der Diskretisierung. Da im Zuge der Formoptimierung Zielgröße und Gradient für eine Vielzahl von Iterierten der Lösung bestimmt werden müssen, ist man bestrebt die Kosten einer einzelnen Auswertung möglichst gering zu halten, z.B. indem man mit nur moderat feinen oder adaptiv verfeinerten Netzen arbeitet. Aufgabe dieser Diplomarbeit ist es zu untersuchen, ob mit gängigen Methoden adaptiv verfeinerte Netze hinreichende Genauigkeit der Auswertung von Zielgröße und Gradient erlauben und ob eventuell Anpassungen der Optimierungsstrategie an die adaptive Vernetzung notwendig sind. Für die Untersuchungen sind geeignete Modellprobleme aus der Festigkeitslehre zu wählen und zu untersuchen. / Shape optimization describes the determination of the geometric shape of a domain with a partial differential equation (PDE) with the purpose that a specific given performance function is minimized, its values depending on the solution of the PDE. The Discrete Adjoint Method can be used to evaluate the gradient of a performance function with respect to an arbitrary number of shape parameters by solving an adjoint equation of the discretized PDE. This gradient is used in the numerical optimization algorithm to search for the optimal solution. As both function value and gradient are computed for the discretized PDE, they both fundamentally depend on the discretization. In using the coarse meshes, discontinuities in the discretized objective function can be expected if the changes in the shape parameters cause discontinuous changes in the mesh (e.g. change in the number of nodes, switching of connectivity). Due to the convergence of the discretization these discontinuities vanish with increasing fineness of the mesh. In the course of shape optimization, function value and gradient require evaluation for a large number of iterations of the solution, therefore minimizing the costs of a single computation is desirable (e.g. using moderately or adaptively refined meshes). Overall, the task of the diploma thesis is to investigate if adaptively refined meshes with established methods offer sufficient accuracy of the objective value and gradient, and if the optimization strategy requires readjustment to the adaptive mesh design. For the investigation, applicable model problems from the science of the strength of materials will be chosen and studied.