Dans cette thèse, nous étudions le caractère bien posé, le contrôle et la stabilisation de quelques modèles d'écoulements fluides. Dans la première partie, on s'intéresse aux équations de Navier-Stokes compressibles 1D. Un résultat de contrôlabilité locale aux trajectoires par contrôle frontière est établi sous l'hypothèse géométrique de vidage du domaine par le flot de la trajectoire cible. La principale nouveauté de ce travail est que les trajectoires cibles peuvent être choisies non constantes. Dans la deuxième partie, nous travaillons sur un modèle de frontière immergée dans un fluide visqueux incompressible en 2D et 3D. Contrairement à la méthode des frontières immergées de Peskin où la force générée par la structure dépend de ses propriétés élastiques et géométriques, nous considérons que la force de la structure est une donnée du système. Nous montrons alors des résultats d'existence locale en temps et en tout temps à données petites de solutions fortes. Ce travail est un premier pas vers l'analyse mathématique de la méthode des frontières immergées de Peskin. Dans la dernière partie, nous étudions la stabilisation d'une interface entre deux couches de fluides visqueux non miscibles soumis à l'effet de tension de surface en 2D et 3D. Nous montrons qu'au moyen d'un contrôle de dimension finie agissant sur une partie de la frontière d'un seul des deux fluides, le système est exponentiellement stabilisable à tout taux de décroissance autour de la configuration plate avec fluides au repos. Ce travail est une première étape dans l'étude de la stabilisation des instabilités de Rayleigh-Taylor. / In this work we study the well-posedness, the control and the stabilization of some fluid flow models. First, we focus on the 1D compressible Navier-Stokes equations. Under a geometric assumption on the flow of the target velocity corresponding to the possibility of emptying the domain under the action of the flow, we prove the local exact boundary controllability to trajectory. The main novelty of this work is that the target trajectory can now depend on time and space. In the second part, we study a model of an immersed boundary in an incompressible viscous fluid in 2D and 3D. Contrary to Peskin's Immersed Boundary Method where the boundary force depends on the elastic properties of the structure and its geometry, we consider that the boundary force is a given data. Two results are established: a local in time existence of strong solutions and an existence of strong solutions for all time with small data. This work is a first step on the mathematical analysis of Peskin's Immersed Boundary Method. Finally, we are interested in the stabilization of the interface between two fluid layers coupled through surface tension effect in 2D and 3D. We prove that the system is exponentially stabilizable at any rate around a flat configuration with fluids at rest using a control of finite dimension acting locally at one fluid boundary. This work is a first step in the study of the stabilization of Rayleigh-Taylor instabilities.

La modélisation des phénomènes physiologiques induits par un écoulement, tels que l'écoulement sanguin au travers d'une sténose ou l'écoulement d'air lors de la production de parole, repose souvent sur des théories quasi-unidimensionnelles ou bi-dimensionnelles. Cependant, il est établi que le développement des couches limites dépend de la section transversale. Le but de cette thèse est de modéliser, simuler et caractériser l'importance potentielle de la section transversale sur les écoulements laminaires, contrôlés en pression, en l'absence ou en présence d'une constriction. Des coordonnées de translation sont utilisées pour obtenir des solutions pour des écoulement visqueux au travers d'une section de forme arbitraire. Cette paramétrisation est appliquée à la résolution des équations physiques pour des formes à deux et à trois dimensions. Un modèle d'écoulement simplifié quasi-tridimensionnel, qui prend en compte les pertes dissipatives par convection, la viscosité et la forme de la section est présenté et appliqué à la description de l'écoulement le long d'une sténose. Des données expérimentales et issues de simulations numériques sont collectées afin de caractériser l'influence de la forme de la section transversale dans le cas d'une constriction. simulation numérique sont comparées. / Physical models of physiological flow-induced phenomena, such as blood flow through a stenosis or air flow during human speech production, often rely on a quasi-one-dimensional or two-dimensional flow model, so that details of the cross section shape are neglected. Nevertheless, boundary layer development is known to depend on the cross section shape. The aim of this thesis is to model, simulate and characterize the potential impact of the cross section shape for pressure-driven laminar channel flow without and with constriction. Stretched coordinates are introduced to obtain viscous flow solutions for channels with an arbitrary cross section. The proposed cross section shape parametrization is applied to solve physical equations for two-dimensional and three-dimensional shapes. A simplified quasi-three-dimensional flow model, which accounts for kinetic losses, viscosity and the cross section shape, is presented and applied to describe the flow through a stenosis. Finally, flow data are gathered experimentally and numerically in order to characterize the influence of the cross section shape in the case of a constricted channel. Modeled, experimental and numerical data are compared.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:38Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-08-30Bitstream added on 2014-06-13T20:30:31Z : No. of bitstreams: 1 rodrigues_tt_me_ilha.pdf: 2332044 bytes, checksum: 6e277868f01ea21a46dfbf5c827109a7 (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Fundação de Ensino Pesquisa e Extensão de Ilha Solteira (FEPISA) / A compreensão do escoamento em válvulas de compressores herméticos alternativos é de fundamental importância para introduzir modificações no projeto delas de maneira a aumentar a performance dos compressores, e por fim, dos ciclos de refrigeração. A válvula do compressor é um dispositivo ímpar, umas vez que seu funcionamento se dá pela ação da pressão exercida pelo escoamento, caracterizando um problema de forte interação fluido- estrutura. O uso da modelagem numérica através das ferramentas da mecânica dos fluidos computacional (CFD) tem se destacado como a alternativa mais dinâmica para o estudo do fenômeno. O trabalho desenvolvido foi voltado para o estudo numérico do escoamento através do difusor radial, o qual é um modelo simplificado da válvula, com o emprego do Método da Fronteira Imersa com Modelo Físico Virtual para a modelagem do disco superior do difusor (palheta). O ponto forte desta metodologia é que a representação de regiões sólidas é feita pelo cálculo de um campo de força, o qual é introduzido nas equações das células na vizinhança do sólido. Este procedimento dispensa o uso de malhas que se adaptam ao corpo, possibilitando o uso de malhas cartesianas convencionas para modelar geometrias complexas e móveis. A metodologia foi acoplada com a solução das equações governantes do escoamento em coordenadas cilíndricas através do Método dos Volumes Finitos. Inicialmente, a metodologia foi validada, utilizando como dados de referência resultados provenientes de estudos numéricos e experimentais, e foi avaliada a influência dos parâmetros do procedimento na qualidade final dos resultados. Na segunda etapa foram desenvolvidos estudos preliminares referentes ao movimento do disco superior, com a imposição artificial dos processos de abertura e fechamento da válvula. Os resultados obtidos mostraram que a metodologia adotada... / The fully understanding of the flow through automatic valves of alternative hermetic compressors is essentiall to introduce modifications in its project aiming the improvement of the compressor performance and, also, the refrigeration cycle. The compressor valve is a singular device, once its operation is ruled by the flow pressure, characterizing a case with a strong fluid-structure interaction. The using of numerical tools trough the methods of computational fluid dynamics (CFD) has gained especial attention due to its flexibility to study the phenomenon. The present work was developed to study numerically the flow through the radial diffuser, which is a simplified model of the valve, with the employment of the Immersed Boundary Method with Virtual Physical Model to modeling the superior disk (valve reed). The main advantage of this methodology is that the modeling of solid boundaries is performed with the calculus of a force field, which is introduced in the cells equations nearby the solid. This procedure dispenses the using of body-fitted meshes, enabling the adoption of conventional Cartesian meshes to model complex and moving geometries. The methodology was coupled with the solution of the governing equations in cylindrical coordinates though the Finite Volume Method. Firstly, the methodology was validated, confronting the results obtained with data from numerical and experimental studies, where the influence of the main parameters in the quality of the final results was evaluated. In the second step were developed preliminary studies concerning the movement of the superior disk, whose opening and closing movements were artificially imposed. The results obtained showed that the adopted methodology is quit promising and flexible, and can be employed in more refined studies to the comprehension of the flow through the valve regarding the fluid-structure interaction that rules the problem

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:39Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-09-08Bitstream added on 2014-06-13T19:09:39Z : No. of bitstreams: 1 lacerda_jf_me_ilha.pdf: 4631781 bytes, checksum: cad33ad7c5cac9de6cec08fd94b419e7 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Nesse trabalho resolve-se numericamente o escoamento em difusores radiais, os quais têm sido utilizados como modelo para o estudo do escoamento em válvulas automáticas de compressores de refrigeração. As equações governantes do escoamento, escritas no sistema de coordenadas cilíndricas, são resolvidas utilizando um código numérico baseado no Método dos Volumes Finitos. O Método da Fronteira Imersa, em conjunto com o Modelo Físico Virtual, foi implementado no código numérico e utilizado para representar a região sólida imersa no escoamento. Inicialmente, o código numérico foi utilizado para resolver o problema do escoamento em torno de um cilindro de base quadrada, como parte do processo de validação do código. O confronto dos resultados numéricos com dados da literatura indicou a validação parcial do código. Posteriormente, realizou-se um estudo preliminar do comportamento da solução do escoamento no difusor radial em relação a diversos parâmetros geométricos e de simulação numérica, com o objetivo de identificar a configuração numérica capaz de fornecer, simultaneamente, resultados satisfatórios com o menor custo computacional. Usando esta configuração, o código numérico foi validado através da comparação dos resultados da distribuição de pressão sobre o disco frontal (palheta) do difusor com dados experimentais da literatura, para duas distâncias entre disco frontal e disco inferior (assento), s=0,02 e 0,025 cm, e números de Reynolds variando entre 1500 e 2500. As comparações entre esses resultados mostraram que a metodologia utilizada é adequada para estudar o problema. Finalmente, a geometria do disco inferior foi modificada através da inserção de um chanfro com três ângulos de inclinação (30, 45 e 60º), com o objetivo de avaliar sua influência sobre o comportamento da distribuição de pressão sobre o disco frontal... / In this work the flow in radial diffusers, which have been used as a model to study the flow in refrigeration compressors valves, is solved numerically. The governing equations, written in cylindrical coordinates, are solved using a numerical code based on the Finite Volume Method. The Immersed Boundary Method, with the Virtual Physical Method, was implemented in the numerical code and used to represent the solid region immersed in the flow. Initially, the numerical code was used to solve the flow around a square base cylinder, as part of the code validation. The comparison of the numerical results with literature data indicated the partial validation of the code. Afterwards it was performed a preliminary study of the behavior of the flow solution in the radial diffuser relating to several geometrical and numerical parameters, with the objective of identifying a configuration capable of providing, simultaneously, satisfactory results with the smaller computational cost. Using this configuration, the numerical code was validated through the comparison with experimental pressure distribution on the frontal disk (reed) for two gaps between the frontal disk and inferior disk (seat), s=0.020 and 0.025 cm, and Reynolds numbers varying between 1500 and 2500. These comparisons have shown that the implemented methodology is suitable to study this problem. Finally, the inferior disk geometry was modified by inserting a chamfer with three inclination angles (30, 45 e 60º), with the objective of evaluating its influence on the pressure distribution on the frontal disk. The decreasing of the total pressure gradient through the flow for increasing inclination angles indicates less amount of energy to drive the flow. This is an important result that can be used to design refrigeration compressors with lower compression power

Orientador: José Luiz Gasche / Banca: Sérgio Said Mansur / Banca: Aristeu da Silveira Neto / Resumo: Nesse trabalho resolve-se numericamente o escoamento em difusores radiais, os quais têm sido utilizados como modelo para o estudo do escoamento em válvulas automáticas de compressores de refrigeração. As equações governantes do escoamento, escritas no sistema de coordenadas cilíndricas, são resolvidas utilizando um código numérico baseado no Método dos Volumes Finitos. O Método da Fronteira Imersa, em conjunto com o Modelo Físico Virtual, foi implementado no código numérico e utilizado para representar a região sólida imersa no escoamento. Inicialmente, o código numérico foi utilizado para resolver o problema do escoamento em torno de um cilindro de base quadrada, como parte do processo de validação do código. O confronto dos resultados numéricos com dados da literatura indicou a validação parcial do código. Posteriormente, realizou-se um estudo preliminar do comportamento da solução do escoamento no difusor radial em relação a diversos parâmetros geométricos e de simulação numérica, com o objetivo de identificar a configuração numérica capaz de fornecer, simultaneamente, resultados satisfatórios com o menor custo computacional. Usando esta configuração, o código numérico foi validado através da comparação dos resultados da distribuição de pressão sobre o disco frontal (palheta) do difusor com dados experimentais da literatura, para duas distâncias entre disco frontal e disco inferior (assento), s=0,02 e 0,025 cm, e números de Reynolds variando entre 1500 e 2500. As comparações entre esses resultados mostraram que a metodologia utilizada é adequada para estudar o problema. Finalmente, a geometria do disco inferior foi modificada através da inserção de um chanfro com três ângulos de inclinação (30, 45 e 60º), com o objetivo de avaliar sua influência sobre o comportamento da distribuição de pressão sobre o disco frontal... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In this work the flow in radial diffusers, which have been used as a model to study the flow in refrigeration compressors valves, is solved numerically. The governing equations, written in cylindrical coordinates, are solved using a numerical code based on the Finite Volume Method. The Immersed Boundary Method, with the Virtual Physical Method, was implemented in the numerical code and used to represent the solid region immersed in the flow. Initially, the numerical code was used to solve the flow around a square base cylinder, as part of the code validation. The comparison of the numerical results with literature data indicated the partial validation of the code. Afterwards it was performed a preliminary study of the behavior of the flow solution in the radial diffuser relating to several geometrical and numerical parameters, with the objective of identifying a configuration capable of providing, simultaneously, satisfactory results with the smaller computational cost. Using this configuration, the numerical code was validated through the comparison with experimental pressure distribution on the frontal disk (reed) for two gaps between the frontal disk and inferior disk (seat), s=0.020 and 0.025 cm, and Reynolds numbers varying between 1500 and 2500. These comparisons have shown that the implemented methodology is suitable to study this problem. Finally, the inferior disk geometry was modified by inserting a chamfer with three inclination angles (30, 45 e 60º), with the objective of evaluating its influence on the pressure distribution on the frontal disk. The decreasing of the total pressure gradient through the flow for increasing inclination angles indicates less amount of energy to drive the flow. This is an important result that can be used to design refrigeration compressors with lower compression power / Mestre

Este trabalho pode ser dividido em três etapas principais. Inicialmente é proposta uma formulação estabilizada do método dos elementos finitos (MEF) para solução de problemas de escoamento incompressível governado pela equação de Navier-Stokes. Esta formulação foi implementada em um código computacional e testada através de diversos exemplos numéricos. Alguns elementos finitos com diferentes pares de função de interpolação da velocidade e pressão, consagrados na literatura, e também elementos finitos menos populares, foram investigados e seus resultados e performance comparados. A segunda etapa consiste na formulação do problema estrutural. Buscou-se por uma formulação dinâmica, não linear, capaz de simular movimentos complexos de estruturas sujeitas a grandes deslocamentos e grandes deformações durante longos intervalos de tempo. A etapa final deste trabalho é a proposição de um método para solução de problemas de Interação Fluido Estrutura (IFE) que utiliza o conceito de fronteiras imersas como alternativa a abordagens ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) clássicas. Elementos Finitos Generalizados, juntamente com Multiplicadores de Lagrange, são utilizados para prover descontinuidade nos campos de velocidade e pressão do fluido ao longo da interface com a estrutura. O acoplamento dos dois problemas é realizado utilizando um método implícito e alternado (staggered scheme), que possui a vantagem de permitir, facilmente, a implementação de códigos computacionais desenvolvidos para resolver isoladamente o problema fluido e/ou estrutural. / This work is divided in three parts. Initially, it is presented a stabilized Finite Element Method formulation to solve fluid flow problems governed by the incompressible Navier-Stokes Equations. This formulation was implemented in a computer code and validated throughout several numeric simulations. Some well-known finite elements with different pairs of velocity/pressure approximations, as well as some other less popular elements, were investigated and their performance compared. The second part describes the Structural Problem formulation. This formulation is able to simulate nonlinear dynamic problems involving large displacements and finite strains during long period of time. In the final part of this work, it is proposed a Fluid-Structure Interaction method based on an immersed interface approach in opposition to classical ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) approaches. Generalized Finite Elements, together with Lagrange Multipliers, are used to provide velocity and pressure discontinuities on the fluid domain across the immersed interface. To couple both fluid and structural problems, an implicit staggered scheme is adopted, which allows the easy implementation of already developed black box computer codes.

O escoamento em torno de corpos tem sido objeto de estudo de muitos pesquisadores e é muito explorado experimental e computacionalmente, devido a sua grande aplicabilidade na engenharia. No entanto, simular computacionalmente este tipo de escoamento requer uma atenção especial ao escolher o tipo malha a ser utilizado. Em muitos casos faz-se necessário o uso de uma malha que se adapte ao contorno do obstáculo, o que pode ocasionar um aumento no esforço computacional. Um maneira de contornar este problema é a utilização do Método das Fronteiras Imersas, que possibilita o uso de malha cartesiana na simulação computacional do escoamento em torno de obstáculos. Isso é possível através da adição de um termo forçante nas equações que modelam o escoamento, e assim as forças que agem sobre o contorno do corpo são transferidas diretamente para a malha. O objetivo deste trabalho de mestrado foi implementar o método das Fronteiras Imersas e simular o escoamento em torno de um cilindro circular em repouso, movimentando-se na mesma direção do escoamento, na direção perpendicular ao escoamento, ou rotacionando em torno do próprio eixo. As simulações computacionais possibilitaram a captura do fenômeno de Atrelagem Síncrona, caracterizado pela sincronia entre a frequência de desprendimento natural de vórtices e a frequência de oscilação do mesmo. O Método das Fronteiras Imersas mostrou um ótimo desempenho quando comparado a resultados experimentais e numéricos encontrados na literatura / The flow around bodies have been studied by many researchers. Both experimental and computational approaches have been extensively explored in researches on flow around bodies and have been applied in many engeneering problems. However, to choose an appropriate type of mesh to perform computational simulations of this type of problem requires special attention. In many cases, it is necessary to use a mesh that is able to conform to the boundary if a given obstacle. The need to perform this adaptation may increase the computational effort. The Immersed Boundary Method enables the use of cartesian meshes to perform computational simulations of flows around obstacles. The idea of this method is to add a forcing term in the equations that model the flow. Thus, the forces applied on the body boundaries are directly transfered to the mesh. The aim of this work was to perform a computational implementation of the Immersed Boundary Method to simulate the flow over a oscilating circular cylinder. This oscilation may be inline with the flow, cross-flow, or rotating. The computational simulations enabled the capture of the lock-in phenomena, which consists of the syncronization between the vortex shedding frequency and the cylinder oscilation frequency. The results obtained from the computational simulations using the Immersed Boundary Method were in good agreement with the numerical and experimental results found in the literature

Neste trabalho, desenvolve-se um método de fronteira imersa para o estudo de escoamento compressível modelado pelas equações de Euler bidimensionais. O método de discretização de diferenças finitas é empregado, usando o método de Steger-Warming de ordem dois para discretizar as variáveis espaciais e o esquema de Runge-Kutta de ordem quatro para discretizar as variáveis temporais. O método da fronteira imersa foi empregado para o estudo de aeroelasticidade computacional em uma seção típica de aerofólio bidimensional com dois movimentos prescritos: torsional e vertical, com o objetivo de se verifcar a eficiência do método e sua aplicabilidade para problemas em aeroelasticidade computacional. Neste estudo desenvolveu-se também um programa de computador para simular escoamentos compressíveis de fluido invíscido utilizando a metodologia proposta. A verificação do código gerado foi feita utilizando o método das soluções manufaturadas e o problema de reflexão de choque oblíquo. A validação foi realizada comparando-se os resultados obtidos para o escoamento ao redor de uma seção circular e de uma seção de aerofólio NACA 0012 com os resultados experimentais, para cada caso. / In this work, an immersed boundary method is developed to study compressible flow modeled by the two-dimensional Euler equations. The finite difference method is employed, using the second order Steger-Warming method to discretizate the space variables and the fourth order Runge-Kutta method to discretizate the time variables. The immersed boundary method was employed to study computational aeroelasticity on a typical two-dimensional airfoil section with two prescribed motion: pitching and plunging, in order to verify the efficiency of the numerical method and its applicability in computational aeroelasticity problems. In this work, a computer program was developed to simulate compressible flows for inviscid fluids using the methodology proposed. The verification of the computational code was performed using the method of manufactured solutions and the oblique shock wave reflection problem. The validation was performed comparing the obtained results for flows around a circular section and a NACA 0012 airfoil section with the experimental results, for each case.

Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la modélisation des interactions fluide-structure entre un fluide visqueux, incompressible et une structure pouvant être déformable. Après avoir présenté les différentes approches possibles de modélisation, nous introduisons une nouvelle méthode de type frontière immergée : la méthode IPC ("Image Point Correction"). Combinant approches Ghost-Cell et Pénalisation, cette méthode mixte du second degré globalement et localement en vitesse, est validée sur différents cas tests (comparaisons des coefficients aérodynamiques pour des cylindres fixes ou mobiles, sédimentation 2D d'un cylindre). Nous avons ensuite appliqué la méthode IPC à la simulation de la nage. Dans un premier temps, le solveur 2D a été couplé avec un algorithme d'optimisation mathématique afin de déterminer la loi de nage optimale pour une géométrie de poisson donnée. Puis, dans un second temps, nous avons simulé la nage 3D après reconstruction approchée de la géométrie, basée sur des images du nageur. Enfin, grâce à l'outil du squelette, une reconstruction réaliste du poisson est proposée. / The aim of this thesis is to investigate the modeling of fluid-structure interactions. The fluid is viscous and incompressible, and the structure is subject to an imposed deformation. After a survey of the different existing approachs to model fluid-structure interactions, we introduce a new immersed boundary method: the IPC method (”Image Point Correction”). This ap-proach merges Ghost-Cell and Penalty concepts. It is globally and locally second order in velocity, and it is validated through several canonical simulations. Then, we apply the IPC method to fish-like swimming. First, the 2D solver is paired up with a mathematical optimization algorithm to determine the optimal swimming law for a given fish geometry. Secondly, we simulate a 3D swimmer after performing an approximated reconstruction of the geometry based on actual fish pictures. Finally, thanks to the skeleton approach, a realistic reconstruction of the fish is exposed.

On s’intéresse à la simulation d’écoulements compressibles multi-matériaux et, notamment, aux interactions fluide/structure dans les régimes transitoires et en dynamique rapide. Le but est de pouvoir décrire l’évolution de matériaux de lois de comportement très différentes à l’aide d’un modèle unique. Les milieux sont seulement différenciés par leurs équations d’état et sont séparés par une interface dite sharp. Les matériaux peuvent être des fluides ou des solides élastiques et sont soumis à de grandes déformations. Le modèle est écrit dans le formalisme eulérien. Le schéma numérique est résolu sur des grilles cartésiennes pour des simulations en trois dimensions.Une extension du modèle permet de décrire les déformations plastiques des solides. / We are interested in the simulation of compressible multimaterial flows and especially influid/structure interactions in transient states and fast dynamics. We aim to describe the evolution of materials of very different constitutive laws with an unified model. The materials are only differentiated by their own constitutive laws and are separated by a sharp interface. They can be as well fluids or elastic solids and under go large de formations. The model is written in the Eulerian framework. The numerical scheme is solved on Cartesian grids for simulations in three dimensions. An extension of the elastic model is added to describe the plastic deformations of solids.