abstract: The goal of this paper was to do an analysis of two-dimensional unsplit mass and momentum conserving Finite Volume Methods for Advection for Volume of Fluid Fields with interfaces and validating their rates of convergence. Specifically three unsplit transport methods and one split transport method were amalgamated individually with four Piece-wise Linear Reconstruction Schemes (PLIC) i.e. Unsplit Eulerian Advection (UEA) by Owkes and Desjardins (2014), Unsplit Lagrangian Advection (ULA) by Yang et al. (2010), Split Lagrangian Advection (SLA) by Scardovelli and Zaleski (2003) and Unsplit Averaged Eulerian-Lagrangian Advection (UAELA) with two Finite Difference Methods by Parker and Youngs (1992) and two Error Minimization Methods by Pilliod Jr and Puckett (2004). The observed order of accuracy was first order in all cases except when unsplit methods and error minimization methods were used consecutively in each iteration, which resulted in second-order accuracy on the shape error convergence. The Averaged Unsplit Eulerian-Lagrangian Advection (AUELA) did produce first-order accuracy but that was due to a temporal error in the numerical setup. The main unsplit methods, Unsplit Eulerian Advection (UEA) and Unsplit Lagrangian Advection (ULA), preserve mass and momentum and require geometric clipping to solve two-phase fluid flows. The Unsplit Lagrangian Advection (ULA) can allow for small divergence in the velocity field perhaps saving time on the iterative solver of the variable coefficient Poisson System. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Mechanical Engineering 2019

Cette thèse porte sur le développement de méthodes numériques pour le calcul d'écoulements incompressibles multi-fluides sur grille de calcul, s'inscrivant ainsi dans le cadre du projet MecaGrid.Une étude de la grille MecaGrid met en évidence son caractère hétérogène et ses conséquences. Plusieurs techniques d'optimisation sont présentées afin d'améliorer son utilisation : répartir la masse de calcul de façon adaptée, et privilégier le travail des processeurs vis-à-vis des communications réseaux pénalisantes.Des méthodes numériques sur maillage non structuré composé de tétraèdres sont choisies pour réaliser la simulation directe d'écoulements multi-fluides avec capture d'interface. Nous adoptons une approche unique qui rappelle celle du Multiscale, dans laquelle la condensation d'une fonction Bulle pyramidale est utilisée comme technique universelle de stabilisation.Les équations de Navier-Stokes incompressible sont résolues par une méthode éléments finis mixtes à interpolation P1+/P1. Un schéma temporel d'Euler implicite est appliqué, en association avec un algorithme de Newton pour linéariser le problème.Les interfaces sont capturées par une technique Level Set à interpolation continue P1 qui consiste à résoudre une équation de transport stabilisée par la condensation d'une Bulle (Residual-Free Bubbles). Le couplage avec une équation d'Hamilton-Jacobi permet de réinitialiser la fonction Level Set au court de son transport. La comparaison avec une méthode Galerkin discontinue proche du Volume of Fluid montre que le Level Set se distingue par sa simplicité et l'absence de diffusion numérique.Enfin, les simulations numériques sont validées par plusieurs cas test reconnus.

Alors que la simulation aux grandes échelles (L.E.S.) des écoulements monophasiques est largement répandue même dans le monde industriel, ce n'est pas le cas pour la L.E.S. d'écoulements diphasiques avec interface (c'est-à-dire d'écoulements où les deux phases liquide et gazeuse sont séparées par une interface). La difficulté majeure réside dans le développement de modèles de sous-maille adaptés au caractère diphasique de l'écoulement. Le but de ce travail est de générer une base D.N.S. dans le cadre d'écoulements diphasiques turbulents avec interface pour comprendre les interactions entre les petites échelles turbulentes et l'interface. Les différents termes sous-maille proviendront d'une analyse a priori de cette base D.N.S. Pour mener à bien ce travail, différentes techniques numériques sont testées et comparées dans le cadre de configurations turbulentes où de grandes déformations interfaciales apparaissent. Puis, l'interaction interface/turbulence est étudiée dans le cadre où les deux phases, séparées par une interface largement déformée, sont résolues par une approche D.N.S. La configuration retenue est l'interaction entre une nappe initialement plane et une T.H.I. libre. Les rapports de densités et de viscosités sont fixés à 1 pour se concentrer sur l'effet du coefficient de tension de surface. Une étude paramétrique sur le nombre de Weber est menée. Finalement, un filtrage a priori de la base D.N.S. est réalisé et les termes sous-maille qui en découlent sont comparés les uns aux autres.

We consider the application of least-squares variational principles and the finite element method to the numerical solution of boundary value problems arising in the fields of solidand fluidmechanics.For manyof these problems least-squares principles offer many theoretical and computational advantages in the implementation of the corresponding finite element model that are not present in the traditional weak form Galerkin finite element model.Most notably, the use of least-squares principles leads to a variational unconstrained minimization problem where stability conditions such as inf-sup conditions (typically arising in mixed methods using weak form Galerkin finite element formulations) never arise. In addition, the least-squares based finite elementmodelalways yields a discrete system ofequations witha symmetric positive definite coeffcientmatrix.These attributes, amongst manyothers highlightedand detailed in this work, allow the developmentofrobust andeffcient finite elementmodels for problems of practical importance. The research documented herein encompasses least-squares based formulations for incompressible and compressible viscous fluid flow, the bending of thin and thick plates, and for the analysis of shear-deformable shell structures.

In the subject of Computational Fluid Dynamics (CFD), there seems to be small number of important progress in the pressure-based methods for several decades. Recent studies on the implicit coupled algorithms for pressure-based methods have brought a new insight. This method seems to provide a huge reduction in the solution times over segregated methods. Fully implicit coupled algorithm for pressure-based methods is very new subject with only few papers in literature. One of the most important work in this area is referenced as [1] in this thesis. Another source of information about the method comes from a commercially available code FLUENT which includes the algorithm as an option for pressure-based solver. However the algorithm in FLUENT does not seem to be a fully implicit with a little information in its manual. In this thesis, a fully implicit coupled pressure-based solver is developed mainly based on the available literature. The developed code is succesfully tested against some test cases.

We consider the application of high-order spectral/hp finite element technology to the numerical solution of boundary-value problems arising in the fields of fluid and solid mechanics. For many problems in these areas, high-order finite element procedures offer many theoretical and practical computational advantages over the low-order finite element technologies that have come to dominate much of the academic research and commercial software of the last several decades. Most notably, we may avoid various forms of locking which, without suitable stabilization, often plague low-order least-squares finite element models of incompressible viscous fluids as well as weak-form Galerkin finite element models of elastic and inelastic structures. The research documented in this dissertation includes applications of spectral/hp finite element technology to an analysis of the roles played by the linearization and minimization operators in least-squares finite element models of nonlinear boundary value problems, a novel least-squares finite element model of the incompressible Navier-Stokes equations with improved local mass conservation, weak-form Galerkin finite element models of viscoelastic beams and a high-order seven parameter continuum shell element for the numerical simulation of the fully geometrically nonlinear mechanical response of isotropic, laminated composite and functionally graded elastic shell structures. In addition, we also present a simple and efficient sparse global finite element coefficient matrix assembly operator that may be readily parallelized for use on shared memory systems. We demonstrate, through the numerical simulation of carefully chosen benchmark problems, that the finite element formulations proposed in this study are efficient, reliable and insensitive to all forms of numerical locking and element geometric distortions.

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En la presente tesis se han estudiado métodos de paso fraccionado para la resolución numérica de la ecuación de Navier-Stokes incompresible mediante el método de los elementos finitos; dicha ecuación rige el movimiento de un fluido incompresible viscoso. Partiendo del análisis del método de proyección clásico, se desarrolla un método para el problema de Stokes (lineal y estacionario) con iguales propiedades en cuanto a discretizacion espacial que aquel, explicando así sus propiedades de estabilización de la presión. Se da también una extensión del nuevo método a la ecuación de Navier-Stokes incompresible estacionaria (no lineal).En la segunda parte de la tesis, se desarrolla un método de paso fraccionado para el problema de evolución que supera un inconveniente del método de proyección relativo a la imposición de las condiciones de contorno.Para todos los métodos desarrollados, se demuestran teoremas de convergencia y estimaciones de error, se proponen implementaciones eficientes y se proporcionan numerosos resultados numéricos.

The level set method is a powerful way of tracking surfaces by defining the surface as a zero level set of a continuous function that is usually a signed distance function. The level set method is one of the best methods for simulating multi-phase flow because it can easily handle fast topological changes, as well as splitting and merging of fluids. In this thesis, a standard level set method was implemented in C++, using the finite element method library deal.II, to simulate incompressible two-phase flow on some benchmark problems. The results show a significant change of mass in the simulations, something that should not be allowed to happen when simulating incompressible fluids. The mass changes mainly occur in the reinitialization phase, where the level set function is rebuilt to look more like a signed distance function.

L'objet de cette thèse est la mise en place d'une boucle automatique pour le calcul de flux d'air conditionné dans des géométries complexes. Ce problème est régie par les équations de Navier-Stokes incompressible corrigées par un terme de Boussinesq et couplées avec une équation de température à flux convectif. <br />Nous avons utilisé une méthode d'adaptation de maillage anisotrope basée sur les longueurs d'arêtes avec respect d'une métrique discrète. Une méthode de remaillage local, avec une version anisotrope de l'insertion d'un point par une méthode de Delaunay, a été implémentée pour adapter les maillages.