A multi-dimensional upwind fluctuation splitting scheme is developed and implemented for two-dimensional and axisymmetric formulations of the Navier-Stokes equations on unstructured meshes. Key features of the scheme are the compact stencil, full upwinding, and non-linear discretization which allow for second-order accuracy with enforced positivity. Throughout, the fluctuation splitting scheme is compared to a current state-of-the-art finite volume approach, a second-order, dual mesh upwind flux difference splitting scheme (DMFDSFV), and is shown to produce more accurate results using fewer computer resources for a wide range of test cases. The scalar test cases include advected shear, circular advection, non-linear advection with coalescing shock and expansion fans, and advection-diffusion. For all scalar cases the fluctuation splitting scheme is more accurate, and the primary mechanism for the improved fluctuation splitting performance is shown to be the reduced production of artificial dissipation relative to DMFDSFV. The most significant scalar result is for combined advection-diffusion, where the present fluctuation splitting scheme is able to resolve the physical dissipation from the artificial dissipation on a much coarser mesh than DMFDSFV is able to, allowing order-of-magnitude reductions in solution time. Among the inviscid test cases the converging supersonic streams problem is notable in that the fluctuation splitting scheme exhibits superconvergent third-order spatial accuracy. For the inviscid cases of a supersonic diamond airfoil, supersonic slender cone, and incompressible circular bump the fluctuation splitting drag coefficient errors are typically half the DMFDSFV drag errors. However, for the incompressible inviscid sphere the fluctuation splitting drag error is larger than for DMFDSFV. A Blasius flat plate viscous validation case reveals a more accurate vertical-velocity profile for fluctuation splitting, and the reduced artificial dissipation production is shown relative to DMFDSFV. Remarkably the fluctuation splitting scheme shows grid converged skin friction coefficients with only five points in the boundary layer for this case. A viscous Mach 17.6 (perfect gas) cylinder case demonstrates solution monotonicity and heat transfer capability with the fluctuation splitting scheme. While fluctuation splitting is recommended over DMFDSFV, the difference in performance between the schemes is not so great as to obsolete DMFDSFV. The second half of the dissertation develops a local, compact, anisotropic unstructured mesh adaption scheme in conjunction with the multi-dimensional upwind solver, exhibiting a characteristic alignment behavior for scalar problems. This alignment behavior stands in contrast to the curvature clustering nature of the local, anisotropic unstructured adaption strategy based upon a posteriori error estimation that is used for comparison. The characteristic alignment is most pronounced for linear advection, with reduced improvement seen for the more complex non-linear advection and advection-diffusion cases. The adaption strategy is extended to the two-dimensional and axisymmetric Navier-Stokes equations of motion through the concept of fluctuation minimization. The system test case for the adaption strategy is a sting mounted capsule at Mach-10 wind tunnel conditions, considered in both two-dimensional and axisymmetric configurations. For this complex flowfield the adaption results are disappointing since feature alignment does not emerge from the local operations. Aggressive adaption is shown to result in a loss of robustness for the solver, particularly in the bow shock/stagnation point interaction region. Reducing the adaption strength maintains solution robustness but fails to produce significant improvement in the surface heat transfer predictions. / Ph. D.

La simulation numérique est aujourd'hui un outils majeur dans la conception des objets aérodynamiques, que ce soit dans l'aéronautique, l'automobile, l'industrie navale, etc... Un des défis majeurs pour repousser les limites des codes de simulation est d'améliorer leur précision, tout en utilisant une quantité fixe de ressources (puissance et/ou temps de calcul). Cet objectif peut être atteint par deux approches différentes, soit en construisant une discrétisation fournissant sur un maillage donné une solution d'ordre très élevé, soit en construisant un schéma compact et massivement parallèlisable, de manière à minimiser le temps de calcul en distribuant le problème sur un grand nombre de processeurs. Dans cette thèse, nous tentons de rassembler ces deux approches par le développement et l'implémentation de Schéma Distribuant le Résidu (RDS) d'ordre très élevé et de compacité maximale. Ce manuscrit commence par un rappel des principaux résultats mathématiques concernant les Lois de Conservation hyperboliques (CLs). Le but de cette première partie est de mettre en évidence les propriétés des solutions analytiques que nous cherchons à approcher, de manière à injecter ces propriétés dans celles de la solution discrète recherchée. Nous décrivons ensuite les trois étapes principales de la construction d'un schéma RD d'ordre très élevé : - la représentation polynomiale d'ordre très élevé de la solution sur des polygones et des polyèdres; - la description de méthodes distribuant le résidu de faible ordre, compactes et conservatives, consistantes avec une représentation polynomiale des données de très haut degré. Parmi elles, une attention particulière est donnée à la plus simple, issue d'une généralisation du schéma de Lax-Friedrichs (\LxF); - la mise en place d'une procédure préservant la positivité qui transforme tout schéma stable et linéaire, en un schéma non linéaire d'ordre très élevé, capturant les chocs de manière non oscillante. Dans le manuscrit, nous montrons que les schémas obtenus par cette procédure sont consistants avec la CL considérée, qu'ils sont stables en norme $\L^{\infty}$ et qu'ils ont la bonne erreur de troncature. Même si tous ces développements théoriques ne sont démontrés que dans le cas de CLs scalaires, des remarques au sujet des problèmes vectoriels sont faites dès que cela est possible. Malheureusement, lorsqu'on considère le schéma \LxF, le problème algébrique non linéaire associé à la recherche de la solution stationnaire est en général mal posé. En particulier, on observe l'apparition de modes parasites de haute fréquence dans les régions de faible gradient. Ceux-ci sont éliminés grâce à un terme supplémentaire de stabilisation dont les effets et l'évaluation numérique sont précisément détaillés. Enfin, nous nous intéressons à une discrétisation correcte des conditions limites pour le schéma d'ordre élevé proposé. Cette théorie est ensuite illustrée sur des cas test scalaires bidimensionnels simples. Afin de montrer la généralité de notre approche, des maillages composés uniquement de triangles et des maillages hybrides, composés de triangles et de quandrangles, sont utilisés. Les résultats obtenus par ces tests confirment ce qui est attendu par la théorie et mettent en avant certains avantages des maillages hybrides. Nous considérons ensuite des solutions bidimensionnelles des équations d'Euler de la dynamique des gaz. Les résultats sont assez bons, mais on perd les pentes de convergence attendues dès que des conditions limite de paroi sont utilisées. Ce problème nécessite encore d'être étudié. Nous présentons alors l'implémentation parallèle du schéma. Celle-ci est analysée et illustrée à travers des cas test tridimensionnel de grande taille. / Numerical simulations are nowadays a major tool in aerodynamic design in aeronautic, automotive, naval industry etc... One of the main challenges to push further the limits of the simulation codes is to increase their accuracy within a fixed set of resources (computational power and/or time). Two possible approaches to deal with this issue are either to contruct discretizations yielding, on a given mesh, very high order accurate solutions, or to construct compact, massively parallelizable schemes to minimize the computational time by means of a high performance parallel implementation. In this thesis, we try to combine both approaches by investigating the contruction and implementation of very high order Residual Distribution Schemes (RDS) with the most possible compact stencil. The manuscript starts with a review of the mathematical theory of hyperbolic Conservation Laws (CLs). The aim of this initial part is to highlight the properties of the analytical solutions we are trying to approximate, in order to be able to link these properties with the ones of the sought discrete solutions. Next, we describe the three main steps toward the construction of a very high order RDS: - The definition of higher order polynomial representations of the solution over polygons and polyhedra; - The design of low order compact conservative RD schemes consistent with a given (high degree) polynomial representation. Among these, particular accest is put on the simplest, given by a generalization of the Lax-Friedrich's (\LxF) scheme; - The design of a positivity preserving nonlinear transformation, mapping first-order linear schemes onto nonlinear very high order schemes. In the manuscript, we show formally that the schemes obtained following this procedure are consistent with the initial CL, that they are stable in $L^{\infty}$ norm, and that they have the proper truncation error. Even though all the theoretical developments are carried out for scalar CLs, remarks on the extension to systems are given whenever possible. Unortunately, when employing the first order \LxF scheme as a basis for the construction of the nonlinear discretization, the final nonlinear algebraic equation is not well-posed in general. In particular, for smoothly varying solutions one observes the appearance of high frequency spurious modes. In order to kill these modes, a streamline dissipation term is added to the scheme. The analytical implications of this modifications, as well as its practical computation, are thouroughly studied. Lastly, we focus on a correct discretization of the boundary conditions for the very high order RDS proposed. The theory is then extensively verified on a variety of scalar two dimensional test cases. Both triangular, and hybrid triangular-quadrilateral meshes are used to show the generality of the approach. The results obtained in these tests confirm all the theoretical expectations in terms of accuracy and stability and underline some advantages of the hybrid grids. Next, we consider solutions of the two dimensional Euler equations of gas dynamics. The results obtained are quite satisfactory and yet, we are not able to obtain the desired convergence rates on problems involving solid wall boundaries. Further investigation of this problem is under way. We then discuss the parallel implementation of the schemes, and analyze and illustrate the performance of this implementation on large three dimensional problems. Due to the preliminary character and the complexity of these three dimensional problems, a rather qualitative discussion is made for these tests cases: the overall behavior seems to be the correct one, but more work is necessary to assess the properties of the schemes in three dimensions.

La simulation numérique est aujourd'hui un outils majeur dans la conception des objets aérodynamiques, que ce soit dans l'aéronautique, l'automobile, l'industrie navale, etc... Un des défis majeurs pour repousser les limites des codes de simulation est d'améliorer leur précision, tout en utilisant une quantité fixe de ressources (puissance et/ou temps de calcul). Cet objectif peut être atteint par deux approches différentes, soit en construisant une discrétisation fournissant sur un maillage donné une solution d'ordre très élevé, soit en construisant un schéma compact et massivement parallélisable, de manière à minimiser le temps de calcul en distribuant le problème sur un grand nombre de processeurs. Dans cette thèse, nous tentons de rassembler ces deux approches par le développement et l'implémentation de Schéma Distribuant le Résidu (RDS) d'ordre très élevé et de compacité maximale. Ce manuscrit commence par un rappel des principaux résultats mathématiques concernant les Lois de Conservation hyperboliques (CLs). Le but de cette première partie est de mettre en évidence les propriétés des solutions analytiques que nous cherchons à approcher, de manière à injecter ces propriétés dans celles de la solution discrète recherchée. Nous décrivons ensuite les trois étapes principales de la construction d'un schéma RD d'ordre très élevé : \begin{itemize} \item la représentation polynomiale d'ordre très élevé de la solution sur des polygones et des polyèdres; \item la description de méthodes distribuant le résidu de faible ordre, compactes et conservatives, consistantes avec une représentation polynomiale des données de très haut degré. Parmi elles, une attention particulière est donnée à la plus simple, issue d'une généralisation du schéma de Lax-Friedrichs (LxF); \item la mise en place d'une procédure préservant la positivité qui transforme tout schéma stable et linéaire, en un schéma non linéaire d'ordre très élevé, capturant les chocs de manière non oscillante. \end{itemize} Dans le manuscrit, nous montrons que les schémas obtenus par cette procédure sont consistants avec la CL considérée, qu'ils sont stables en norme $\L^{\infty}$ et qu'ils ont la bonne erreur de troncature. Même si tous ces développements théoriques ne sont démontrés que dans le cas de CL scalaires, des remarques au sujet des problèmes vectoriels sont faites dès que cela est possible. Malheureusement, lorsqu'on considère le schéma LxF, le problème algébrique non linéaire associé à la recherche de la solution stationnaire est en général mal posé. En particulier, on observe l'apparition de modes parasites de haute fréquence dans les régions de faible gradient. Ceux-ci sont éliminés grâce à un terme supplémentaire de stabilisation dont les effets et l'évaluation numérique sont précisément détaillés. Enfin, nous nous intéressons à une discrétisation correcte des conditions limites pour le schéma d'ordre élevé proposé. Cette théorie est ensuite illustrée sur des cas test scalaires bidimensionnels simples. Afin de montrer la généralité de notre approche, des maillages composés uniquement de triangles et des maillages hybrides, composés de triangles et de quadrangles, sont utilisés. Les résultats obtenus par ces tests confirment ce qui est attendu par la théorie et mettent en avant certains avantages des maillages hybrides. Nous considérons ensuite des solutions bidimensionnelles des équations d'Euler de la dynamique des gaz. Les résultats sont assez bons, mais on perd les pentes de convergence attendues dès que des conditions limite de paroi sont utilisées. Ce problème nécessite encore d'être étudié. Nous présentons alors l'implémentation parallèle du schéma. Celle-ci est analysée et illustrée à travers des cas test tridimensionnel de grande taille. Du fait de la relative nouveauté et de la complexité des problèmes tridimensionels, seuls des remarques qualitatives sont faites pour ces cas test : le comportement global semble être bon, mais plus de travail est encore nécessaire pour définir les propriétés du schémas en trois dimensions. Enfin, nous présentons une extension possible du schéma aux équations de Navier-Stokes dans laquelle les termes visqueux sont traités par une formulation de type Galerkin. La consistance de cette formulation avec les équations de Navier-Stokes est démontrée et quelques remarques au sujet de la précision du schéma sont soulevées. La méthode est validé sur une couche limite de Blasius pour laquelle nous obtenons des résultats satisfaisants. Ce travail offre une meilleure compréhension des propriétés générales des schémas RD d'ordre très élevé et soulève de nouvelles questions pour des améliorations futures. Ces améliorations devrait faire des schémas RD une alternative attractive aux discrétisations classiques FV ou ENO/WENO, aussi bien qu'aux schémas Galerkin Discontinu d'ordre très élevé, de plus en plus populaires.

In this dissertation the heat flux prediction capabilities of Residual Distribution (RD) schemes for hypersonic flow fields are investigated. Two canonical configurations are considered: the flat plate and the blunt body (cylinder) problems, with a preference for the last one. Both simple perfect gas and more complex thermo-chemical non-equilibrium (TCNEQ) thermodynamic models have been considered.<p><p>The unexpected results identified early in the investigation lead to a thorough analysis to identify the causes of the unphysical hypersonic heating.<p><p>The first step taken is the assessment of the quality of flow field and heat transfer predictions obtained with RD methods for subsonic configurations. The result is positive, both for flat plate and cylinder configurations, as RD schemes produce accurate flow solutions and heat flux predictions whenever no shock waves are present, irrespective of the gas model employed.<p><p>Subsonic results prove that hypersonic heating anomalies are a consequence of the presence of a shock wave in the domain and/or the way it is handled numerically.<p><p>Regarding hypersonic flows, the carbuncle instability is discarded first as the cause of the erroneous stagnation heating. The anomalies are shown next to be insensitive to the kind and level of dissipation introduced via the (quasi-)positive contribution P to blended B schemes. Additionally, insufficient mesh resolution locally over the region where the shock wave is captured numerically is found to be irrelevant.<p><p>Capturing the bow shock in a manner that total enthalpy is preserved immediately before and after the numerical shock wave is, on the contrary, important for correct heating prediction.<p><p>However, a carefully conceived shock capturing term is, by itself, not sufficient to guarantee correct heating predictions, since the LP scheme employed (be it stand-alone in a shock fitting context or combined into a blended scheme for a shock capturing computation) needs to be immune to spurious recirculations in the stagnation point. <p><p>Once the causes inducing the heating anomalies identified, hypersonic shocked flows in TCNEQ conditions are studied.<p><p>In order to alleviate the computational effort necessary to handle many species non-equilibrium (NEQ) models, the extension of an entropic (or symmetrizing) variables formulation RD to the nS species, two temperature TCNEQ model is accomplished, and the savings in computational time it allows are demonstrated.<p><p>The multi-dimensional generalization of Roe-like linearizations for the TCNEQ model is addressed next: a study on the existence conditions of the linearized state guaranteeing discrete conservation is conducted.<p><p>Finally, the new dissipative terms derived for perfect gas are adapted to work under TCNEQ conditions; the resulting numerical schemes are free of the temperature undershoot and Mach number overshoot problem afflicting standard CRD schemes. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished