We present an immersed interface algorithm for the incompressible Navier Stokes equations. The interface is represented by cubic splines which are interpolated through a set of Lagrangian control points. The position of the control points is implicitly updated using the fluid velocity. The forces that the interface exerts on the fluid are computed from the constitutive relation of the interface and are applied to the fluid through jumps in the pressure and jumps in the derivatives of pressure and velocity. A projection method is used to time advance the Navier-Stokes equations on a uniform cartesian mesh. The Poisson-like equations required for the implicit solution of the diffusive and pressure terms are solved using a fast Fourier transform algorithm. The position of the interface is updated implicitly using a quasi-Newton method (BFGS) within each timestep. Several examples are presented to illustrate the flexibility of the presented approach. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

Problemas de interface do tipo elípticos são frequentemente encontrados em dinâmicas de fluidos, ciências dos materiais, mecânica e outros campos de estudo. Em particular, o clássico Método de Interface Imersa (IIM) figura como uma das abordagens numéricas mais robustas para resolver problemas dessa categoria, o qual tem sido empregado recorrentemente para simular o comportamento de fluxos sobre corpos imersos em malhas cartesianas. Embora esse método seja eficiente e robusto, técnicas construídas com base no IIM impõem como restrições matemáticas diversos tipos de condições de salto na interface a fim de serem passíveis de utilização na prática. Nesta tese, introduzimos um novo método de Interface Imersa para resolver problemas elípticos com coeficientes descontínuos em malhas cartesianas. Diferentemente da maioria das formulações existentes que dependem de vários tipos de condições de salto para produzirem uma solução para o problema elíptico, o esquema aqui proposto reduz significativamente o número de restrições ao solucionar a EDP estudada, isto é, apenas os saltos de ordem zero das incógnitas devem ser fornecidos. A técnica apresentada combina esquemas de Diferenças Finitas, abordagem do Ponto Fantasma, modelos de correções e regras de interpolação em uma metodologia única e concisa. Além disso, o método proposto é capaz de produzir soluções de alta ordem, incluindo cenários onde há poucos dados disponíveis onde o quesito alta precisão é indispensável. A robustez e a precisão do método proposto são verificadas através de uma variedade de experimentos numéricos envolvendo diversos problemas elípticos com interfaces arbitrárias. Finalmente, a partir dos testes numéricos conduzidos, é possível concluir que o método projetado produz aproximações de alta ordem a partir de um número muito condensado de restrições matemáticas. / Elliptic interface problems are often encountered in fluid dynamics, material sciences, mechanics and other relevant fields of study. In particular, the well-known Immersed Interface Method (IIM) figures among the most effective approaches for solving non-trivial problems, where the method is traditionally used to simulate the flow behavior over complex bodies immersed in a cartesian mesh. Although their powerfulness and versatility, techniques that are built in light of the IIM impose as constraints different types of jump conditions at the interface in order to be properly managed and applicable for specific purposes. In this thesis, we introduce a novel Immersed Interface Method for solving Elliptic problems with discontinuous coefficients on cartesian grids. Different from most existing formulations that rely on various jump conditions types to get a valid solution, the present scheme reduces significatively the number of constraints when solving the PDE problem, i.e., only the ordinary jumps of the unknowns are required to be given, a priori. Our technique combines Finite Difference schemes, Ghost node strategy, correction models, and interpolation rules into a unified and concise methodology. Moreover, the method is capable of producing high-order solutions, succeeding in many practical scenarios with little available data wherein high precision is indispensable. We attest the robustness and the accuracy of the proposed method through a variety of numerical experiments involving several Elliptic problems with arbitrary interfaces. Finally, from the conducted numerical tests, we verify that the designed method produces high-order approximations from a very limited number of valid jump constraints.

Fluid motion has always been of great importance for humanity since much of our progress has been related to our understanding of fluid dynamics and to our control over the fluids surrounding us. In particular, the experimental techniques and the methods for numerical simulation developed during the last century allowed for great progresses both in creating new technologies and in improving old ones. Despite the great importance of experimental techniques, measuring all properties of a fluid throughout the whole domain, without intefering with the flow to be studied, is impossible. Also, building models even in scale is usually expansive. Both of these reasons have driven the development of numerical methods to the point they became an invaluable tool for fluid dynamic studies and the main tool for developing engineering solutions. If numerical methods are to be of any use, though, they have to correctly describe the problem geometry as well as capture the rich dynamics in a variety of flow situations, such as turbulence, boundary-layers and shock-waves. This thesis addresses two of these problems. In particular, I show modified versions of two immersed-interface methods to describe the geometry, simplifying their implementations with no impact to their applicability. I also introduce two methods for handling shock-waves: first aiming to minimize computational costs, then improving shock-wave resolution without increasing the number of grid points. / O movimento dos fluidos sempre foi de grande importância para a humanidade, dado que muito de nosso progresso esteve intimamente relacionado a um entendimento mais profundo de fluidodinâmica e de como controlar os flúidos ao nosso redor. Em particular, os métodos experimentais e de simulação computacional, desenvolvidos no último século, nos permitiram grandes avanços na criação de novas tecnologias e na otimização das já existentes. Apesar de sua grande importância, as dificuldades de se mensurar todas as propriedades de um flúido em todo o espaço, sem interferir com o comportamento do fluxo, além dos custos de se elaborar experimentos em tamanho real ou em escala, fez com que cada vez mais os métodos numéricos se tornassem uma importante ferramenta no estudo da fluido dinâmica e a principal ferramenta para o desenvolvimento de soluções de engenharia. Porém, para efetivamente substituir experimentos, os métodos numéricos tem que ser capazes de corretamente descrever a geometria do problema, além de capturarem todo tipo de comportamento apresentado pelos flúidos, como turbulência, camada limite e ondas de choque. Esta tese busca contribuir com dois destes desafios. Em particular, mostro versões modificadas de métodos de interface imersa para a descrição da geometria, simplificando as implementações originais sem prejudicar sua aplicabilidade. Também abordo métodos para tratar ondas de choque: primeiro buscando minimizar o esforço computacional e depois buscando aumentar a resolução do choque sem precisar refinar a malha computacional.

We present an immersed interface method for the incompressible Navier Stokes equations capable of handling rigid immersed boundaries. The immersed boundary is represented by a set of Lagrangian control points. In order to guarantee that the no-slip condition on the boundary is satisfied, singular forces are applied on the fluid at the immersed boundary. The forces are related to the jumps in pressure and the jumps in the derivatives of both pressure and velocity, and are interpolated using cubic splines. The strength of singular forces is determined by solving a small system of equations at each time step. The Navier-Stokes equations are discretized on a staggered Cartesian grid by a second order accurate projection method for pressure and velocity. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

Problemas de interface do tipo elípticos são frequentemente encontrados em dinâmicas de fluidos, ciências dos materiais, mecânica e outros campos de estudo. Em particular, o clássico Método de Interface Imersa (IIM) figura como uma das abordagens numéricas mais robustas para resolver problemas dessa categoria, o qual tem sido empregado recorrentemente para simular o comportamento de fluxos sobre corpos imersos em malhas cartesianas. Embora esse método seja eficiente e robusto, técnicas construídas com base no IIM impõem como restrições matemáticas diversos tipos de condições de salto na interface a fim de serem passíveis de utilização na prática. Nesta tese, introduzimos um novo método de Interface Imersa para resolver problemas elípticos com coeficientes descontínuos em malhas cartesianas. Diferentemente da maioria das formulações existentes que dependem de vários tipos de condições de salto para produzirem uma solução para o problema elíptico, o esquema aqui proposto reduz significativamente o número de restrições ao solucionar a EDP estudada, isto é, apenas os saltos de ordem zero das incógnitas devem ser fornecidos. A técnica apresentada combina esquemas de Diferenças Finitas, abordagem do Ponto Fantasma, modelos de correções e regras de interpolação em uma metodologia única e concisa. Além disso, o método proposto é capaz de produzir soluções de alta ordem, incluindo cenários onde há poucos dados disponíveis onde o quesito alta precisão é indispensável. A robustez e a precisão do método proposto são verificadas através de uma variedade de experimentos numéricos envolvendo diversos problemas elípticos com interfaces arbitrárias. Finalmente, a partir dos testes numéricos conduzidos, é possível concluir que o método projetado produz aproximações de alta ordem a partir de um número muito condensado de restrições matemáticas. / Elliptic interface problems are often encountered in fluid dynamics, material sciences, mechanics and other relevant fields of study. In particular, the well-known Immersed Interface Method (IIM) figures among the most effective approaches for solving non-trivial problems, where the method is traditionally used to simulate the flow behavior over complex bodies immersed in a cartesian mesh. Although their powerfulness and versatility, techniques that are built in light of the IIM impose as constraints different types of jump conditions at the interface in order to be properly managed and applicable for specific purposes. In this thesis, we introduce a novel Immersed Interface Method for solving Elliptic problems with discontinuous coefficients on cartesian grids. Different from most existing formulations that rely on various jump conditions types to get a valid solution, the present scheme reduces significatively the number of constraints when solving the PDE problem, i.e., only the ordinary jumps of the unknowns are required to be given, a priori. Our technique combines Finite Difference schemes, Ghost node strategy, correction models, and interpolation rules into a unified and concise methodology. Moreover, the method is capable of producing high-order solutions, succeeding in many practical scenarios with little available data wherein high precision is indispensable. We attest the robustness and the accuracy of the proposed method through a variety of numerical experiments involving several Elliptic problems with arbitrary interfaces. Finally, from the conducted numerical tests, we verify that the designed method produces high-order approximations from a very limited number of valid jump constraints.

No contexto de Dinâmica de Fluidos Computacional, métodos de simulação de objetos imersos em Malhas Cartesianas têm se mostrado vantajosos tanto em termos de Custo Computacional quanto em termos de precisão numérica. Entretanto, a representação física de objetos imersos nesses domínios computacionais impõe a perda de validade dos esquemas de Diferenças Finitas empregados, na região das superfícies introduzidas. Este trabalho analisa um Método de Interfaces Imersas quanto ao desempenho em aplicações a esquemas de solução numérica de Alta Ordem de precisão. Através de Testes de Refinamento de Malha, é feita a apreciação da ordem de decaimento dos erros das soluções numéricas em comparação com as soluções analíticas para 2 problemas unidimensionais. O primeiro envolve a solução da Equação de Calor unidimensional sujeita a uma Condição Inicial Unitária, e o segundo relaciona-se ao cálculo das duas primeiras derivadas espaciais das funções analíticas Seno e Tangente Hiperbólica. Também é promovida uma análise de forma fragmentária do método, a fim de individualizar a contribuição dos elementos envolvidos no comportamento das soluções geradas. Os resultados obtidos indicam eventuais alterações na ordem de precisão dos esquemas de Diferenças Finitas originalmente aplicados. Esse comportamento e visto como uma dependência que o método escolhido apresenta em relação a função discretizada. Por fim, são elaboradas considerações sobre restrições de aplicabilidade do método escolhido. / In the Computational Fluid Dynamics context, methods for simulating immersed objects in Cartesian Grids have shown advantages regarding both Computational Cost and numerical precision. Nevertheless, the physical representation of immersed objects within these computational domains leads to the loss of validity of the emplyed Finite Dierence Schemes near the immersed surfaces. This work analizes a Immersed Interface Method regarding its performance in High Order Schemes applications. The error decay order for numerical solutions of two 1D problems is observed. The rst problem relates to the solution of the Heat Equation subjected to the unitary initial condition. The second relates to the computation of the rst two derivatives of analytical functions Sin and Hyperbolic Tangent. It\'s also conducted a fragmentary analysis, which is intended to identify the contribution of each element of this method to the character of the generated solution. The results indicate some eventual changes in the Order of the Finite Dierences Schemes employed. This behaviour is regarded as a dependency of this method to the nature of the discretized function. Finaly, some remarks regarding restrictions to this method\'s applicability are made.

No contexto de Dinâmica de Fluidos Computacional, métodos de simulação de objetos imersos em Malhas Cartesianas têm se mostrado vantajosos tanto em termos de Custo Computacional quanto em termos de precisão numérica. Entretanto, a representação física de objetos imersos nesses domínios computacionais impõe a perda de validade dos esquemas de Diferenças Finitas empregados, na região das superfícies introduzidas. Este trabalho analisa um Método de Interfaces Imersas quanto ao desempenho em aplicações a esquemas de solução numérica de Alta Ordem de precisão. Através de Testes de Refinamento de Malha, é feita a apreciação da ordem de decaimento dos erros das soluções numéricas em comparação com as soluções analíticas para 2 problemas unidimensionais. O primeiro envolve a solução da Equação de Calor unidimensional sujeita a uma Condição Inicial Unitária, e o segundo relaciona-se ao cálculo das duas primeiras derivadas espaciais das funções analíticas Seno e Tangente Hiperbólica. Também é promovida uma análise de forma fragmentária do método, a fim de individualizar a contribuição dos elementos envolvidos no comportamento das soluções geradas. Os resultados obtidos indicam eventuais alterações na ordem de precisão dos esquemas de Diferenças Finitas originalmente aplicados. Esse comportamento e visto como uma dependência que o método escolhido apresenta em relação a função discretizada. Por fim, são elaboradas considerações sobre restrições de aplicabilidade do método escolhido. / In the Computational Fluid Dynamics context, methods for simulating immersed objects in Cartesian Grids have shown advantages regarding both Computational Cost and numerical precision. Nevertheless, the physical representation of immersed objects within these computational domains leads to the loss of validity of the emplyed Finite Dierence Schemes near the immersed surfaces. This work analizes a Immersed Interface Method regarding its performance in High Order Schemes applications. The error decay order for numerical solutions of two 1D problems is observed. The rst problem relates to the solution of the Heat Equation subjected to the unitary initial condition. The second relates to the computation of the rst two derivatives of analytical functions Sin and Hyperbolic Tangent. It\'s also conducted a fragmentary analysis, which is intended to identify the contribution of each element of this method to the character of the generated solution. The results indicate some eventual changes in the Order of the Finite Dierences Schemes employed. This behaviour is regarded as a dependency of this method to the nature of the discretized function. Finaly, some remarks regarding restrictions to this method\'s applicability are made.

La méthode IIM (Immersed Interface Method) permet d'étendre certaines méthodes numériques à des problèmes présentant des discontinuités. Elle est utilisée ici pour étudier un fluide incompressible régi par les équations de Navier-Stokes, dans lequel est immergée une membrane exerçant une force singulière. Nous utilisons une méthode de projection dans une grille de différences finies de type MAC. Une dérivation très complète des conditions de saut dans le cas où la viscosité est continue est présentée en annexe. Deux exemples numériques sont présentés : l'un sans membrane, et l'un où la membrane est immobile. Le cas général d'une membrane mobile est aussi étudié en profondeur. / The Immersed Interface Method allows us to extend the scope of some numerical methods to discontinuous problems. Here we use it in the case of an incompressible fluid governed by the Navier-Stokes equations, in which a membrane is immersed, inducing a singular force. We use a projection method and staggered (MAC-type) finite difference approximations. A very complete derivation for the jump conditions is presented in the Appendix, for the case where the viscosity is continuous. Two numerical examples are shown : one without a membrane, and the other where the membrane is motionless. The general case of a moving membrane is also thoroughly studied.

La réduction des émissions polluantes et l'amélioration des performances des turboréacteurs nécessitent une connaissance détaillée des phénomènes physiques mis en jeu dans une chambre de combustion. L'atomisation du carburant résulte du cisaillement engendré par un fort écoulement d'air généré dans l'injecteur. La simulation numérique directe d'écoulements avec interface permet de simuler l'ensemble du processus d'atomisation. L'utilisation de maillages Cartésiens permet la réalisation de calculs HPC efficaces et précis. Mais, une des complexités de l'atomisation vient d'une interaction forte entre le comportement de la nappe liquide et l'écoulement gazeux dans les conduites de l'injecteur, rendant impératif la simulation de l'injecteur complet. Ceci étant impossible avec des maillages Cartésiens structurés, l'objectif de cette thèse est de développer une méthode d'interface immergée permettant l'inclusion d'objets solides dans un domaine de calcul, indépendamment du maillage, afin de réaliser des DNS du système d'injection complet. Les équations de Navier-Stokes incompressibles diphasiques sont résolues à l'aide d'un algorithme de projection, l'interface liquide-gaz étant transportée avec une méthode CLSVOF conservative en masse et quantité de mouvement. La présence du solide est prise en compte grâce à la méthode d'interface immergée. Cette méthode a été appliquée à la simulation numérique de nappes liquides cisaillées pour une configuration d'injecteur utilisée en essais à l'ONERA et a permis une meilleure prédiction de la fréquence de battement de la nappe. / The reduction of polluting emissions and improvement of aeronautical engines efficiency depends on the detailed knowledge of the physical phenomena encountered in a combustion chamber. Fuel atomization results from the shearing effect induced by the high velocity airflow generated inside the injector. The Direct Numerical Simulation of interfacial flows allows the simulation of the whole atomization process, while Cartesian structured meshes allows efficient and accurate HPC computations. However, the complexity of atomization comes from a strong interaction between the jet behavior and the injector internal flow, which makes essential to simulate the whole injector system. As that is impossible on Cartesian structured grids, the main objective of this thesis is to develop an Immersed Interface Method (IIM) allowing the inclusion of solid objects in the computational domain, independently of the mesh. The incompressible two-phases Navier-Stokes equations are solved using a projection algorithm with the CLSVOF method, conservative in mass and momentum. The solid presence is taken into account using the IIM. The proposed IIM has been applied to the numerical simulation of sheared liquid sheets corresponding to an ONERA experimental configuration and allows a better prediction of the flapping frequencies of the liquid sheet.

Cette thèse porte sur l'étude des ballotements dans les réservoirs de satellites à poste, lors des phases de manoeuvre à faible accélération. En effet la bulle de gaz d'hélium servant à pressuriser le réservoir se met en mouvement, générant ainsi des perturbations sur la stabilité globale du satellite. Afin de mener à bien cette étude, des méthodes numériques ont été développées, avec une méthode de frontières immergées pour prendre en compte les parois du réservoir.Le code est utilise la méthode Level-Set pour capturer l'interface, et gère les sauts à l'aide de la méthode Ghost-Fluid. Un solveur BlackBox Multigrid est également développé pour améliorer lesperformances de calcul. Une étude est présentée dans le dernier chapitre pour définir quelques lois de comportements en fonction des vitesses et accélérations générées lors des manoeuvres. / The core study of this PhD thesis is the sloshing in satellite tanks, during low acceleration maneuvers. Indeed the helium bubble used to pressurize the tank moves, thus generating perturbations on the global stability of the satellite. In order to understand this problem, numerical schemes have been developed, such as an immersed boundary method to model the tank wall. The numerical tool uses a Level-Set function coupled to a Ghost Fluid Method to track the interface and to account for the jump conditions.A BlackBox Multigrid Solver have been developed to improve computational cost. Finally a study is presented in the last chapter to predict the behaviour of the fluids with a varying rotational speed generated during some classical maneuvers.