The purpose of this master thesis is to investigate the usage of the Lattice Boltzmann Method (LBM) of Computational Fluid Dynamics (CFD) for real-time prediction of indoor air flows inside a data center module. Thermal prediction is useful in data centers for evaluating the placement of heat-generating equipment and air conditioning. To perform the simulation a program called RAFSINE was used, written by Nicholas Delbosc at the University of Leeds, which implemented LBM on Graphics Processing Units (GPUs) using NVIDIA CUDA. The program used the LBM model called Bhatnagar-Gross-Krook (BGK) on a 3D lattice and had the capability of executing thermal simulations in real-time or faster than real-time. This fast rate of execution means a future application for this simulation could be as a predictive input for automated air conditioning control systems, or for fast generation of training data sets for automatic fault detection systems using machine learning. In order to use the LBM CFD program even from hardware not equipped with NVIDIA GPUs it was deployed on a remote networked server accessed through Virtual Network Computing (VNC). Since RAFSINE featured interactive OpenGL based 3D visualization of thermal evolution, accessing it through VNC required use of the VirtualGL toolkit which allowed fast streaming of visualization data over the network. A simulation model was developed describing the geometry, temperatures and air flows of an experimental data center module at RISE SICS North in Luleå, Sweden, based on measurements and equipment specifications. It was then validated by comparing it with temperatures recorded from sensors mounted in the data center. The thermal prediction was found to be accurate on a room-level within ±1° C when measured as the average temperature of the air returning to the cooling units, with a maximum error of ±2° C on an individual basis. Accuracy at the front of the server racks varied depending on the height above the floor, with the lowest points having an average accuracy of ±1° C, while the middle and topmost points had an accuracy of ±2° C and ±4° C respectively. While the model had a higher error rate than the ±0.5° C accuracy of the experimental measurements, further improvements could allow it to be used as a testing ground for air conditioning control or automatic fault detection systems.

Au cours des deux dernières décennies, le contexte économique a changé de manière significative en raison de la hausse des prix de l'énergie. Le bâtiment étant devenu le principal secteur consommateur d'énergie, la réduction de celle-ci est devenue un objectif économique, sociétal et environnemental. Ce sujet mobilise de nombreux travaux de recherche. Les Matériaux à Changement de Phase (MCP) représentent une solution innovante qui pourrait contribuer à améliorer la performance énergétique des bâtiments. Ils sont principalement utilisés pour la régulation de température, et leur forte capacité de stockage est un moyen de réduire la consommation d'énergie. Notre étude vise à caractériser, via une approche expérimentale et numérique, le comportement d'un PCM (l’Octadécane). Pour cela, nous avons développé et mis en œuvre un modèle numérique qui corrobore les résultats expérimentaux, et ainsi améliore la prédiction de la performance du MCP considéré.Dans ce travail, notre principale préoccupation est de mettre en évidence les erreurs ou simplifications présentes dans le modèle numérique traditionnel pouvant entraîner un écart global par rapport au comportement réel du MCP. Ces différences conduisent à une estimation erronée des temps de fusion et de la quantité d'énergie stockée. L'amélioration significative de notre modèle est la prise en compte de la convection naturelle, de la surfusion, et l'utilisation des courbes réelles d'enthalpie du MCP considéré. La relation température-enthalpie réelle tient compte de la présence d'une fraction d'impuretés solubles dans le matériau. L’originalité de ce travail est de traiter ces phénomènes physiques via la méthode de Boltzmann réseau (connue sous l'acronyme LBM) avec des fonctions de distribution doubles couplée à une formulation enthalpique. Une telle approche permet de passer outre la non-linéarité des équations régissant l'écoulement et le transfert de chaleur. Sa simplicité de mise en œuvre et son caractère local permettent d'affiner le modèle. Ainsi, on peut couvrir les problèmes de changement de phase, y compris ceux pouvant avoir lieu dans des matrices poreuses ou fibreuses. Ce dernier point a été couvert dans cette thèse.Enfin, il s'est avéré que l'approche numérique adoptée ici pour traiter les problèmes de changement de phase corrobore à la fois nos résultats expérimentaux et ceux disponibles dans la littérature. / Over the past two decades, the economic context has changed significantly due to the rise in energy prices. The building sector has become the main consumer of energy. Thereby, reducing the latter is now an economic, societal and environmental necessity. Accordingly, this topic mobilizes many researches. Phase Change Materials (PCMs) represent an innovative solution, which could improve buildings' energy performance. They are primarily used for temperature regulation, and their high storage capacity can reduce energy consumption.Our study aims at characterizing, via a complementary approach of experimental and numerical simulation, the behavior of a PCM (n-Octadecane). For this, we have developed and implemented a numerical model that corroborates the experimental results, and hence improves the prediction of the PCM performance.In this work, our main concern is to highlight the common errors or simplifications taken in the traditional numerical model, which can result in an overall discrepancy compared to the actual behavior of PCMs. Those discrepancies lead to wrong estimation of the fusion times and amount of energy stored. The major improvement of our model is the consideration of the natural convection, the supercooling, and the use of real enthalpy curves of the considered PCM. The actual temperature-enthalpy relationship takes into account the presence of a fraction of soluble impurities in the material. The originality of this work is to handle these physical phenomena via a lattice Boltzmann method (known by the acronym LBM), which leans on double distribution functions and coupled with the enthalpy formulation. Such an approach overcomes the non-linearity in the governing equations of fluid flow and heat transfer. Its simplicity and local character allow adding complexity to the model. Thereby, one can cover up the phase change problems, including those, which may occur in heterogeneous matrices. This last point has been also covered in this thesis.Finally, it turned out that the approach implemented here for phase change problems supports both, our experimental results and those available in the literature.

Cette étude s'intéresse aux risques associés à la formation d'une ATmosphère EXplosive (ATEX) née d'une fuite d'hydrogène et de sa dispersion dans l'air ambiant. La fuite a été modélisée par un jet turbulent à densité variable libre, impactant sur une sphère de diamètre 20mm ou sur une plaque plane. Dans un premier temps, les champs de vitesses et de concentration ont été obtenus expérimentalement en proche sortie grâce à des mesures de Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) et de Fluorescence Induite par Plan Laser sur l'acétone (PLIF). La turbulence et le mélange ont été caractérisés pour le cas d'un jet libre ou en présence d'un obstacle. A partir de ces mesures, la structure générale de l'écoulement a été étudiée à partir des champs moyens et fluctuants par comparaison avec les données de la bibliographie. Puis, les données issues des fluctuations ont été analysées statistiquement par l'étude des fonctions de densité de probabilité du scalaire. Ces travaux se sont poursuivis avec la mise en relation des résultats expérimentaux avec ceux obtenues par des simulations numériques DNS (Direct Numerical Simulation) utilisant la méthode Boltzmann sur Réseau (LBM) d'un scalaire passif dans un jet d'air. Cette étude a permis de recueillir et d'analyser des données supplémentaires sur le mélange d'un jet à masse volumique variable libre ou impactant. Ces données sont directement applicables à la maitrise des risques liés aux fuites d'hydrogène. / This study examines the risks associated with the formation of an explosive atmosphere from a hydrogen leak and its dispersion into the air. We considered the leak as a turbulent jet with density variable, free and impinging a $20,mm$ diameter sphere or a flat plate. Firstly, velocity and scalar fields have been measured experimentally in the near field through Particle Image Velocimetry (PIV) and acetone Planar Laser Induced Fluorescence (LIF). Turbulence and mixing have been defined in the case of free jet and impinging jet. From this measurements, the flow structure has been presented from the mean and fluctuating flow measurements by comparison with literature data. Next, the fluctuation scalar fields are studied with the probability density function method. Finally, a comparison has been conducted between the experiments and direct numerical simulation (DNS) of turbulence based on the lattice Boltzmann method (LBM) for passive scalar in air jet. This study is gathering and analyzing data on the mixing of jet with density variable, free and impinging jet. Such data is directly useful to identify and control risks incurred due to hydrogen leak.

L'objet de cette thèse est la modélisation computationnelle de l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM), appliquée à l'imagerie des réseaux vasculaires. Les images sont influencées par la géométrie des vaisseaux mais aussi par le flux sanguin. Par ailleurs, outre la qualité des modèles développés, il est important que les calculs soient performants. C'est pourquoi, le calcul parallèle est utilisé pour gérer ce type de problèmes complexes. Dans cette thèse, trois solutions sont proposées. La première concerne les algorithmes parallèles pour la modélisation des réseaux vasculaires. Des algorithmes dédiés à différentes architectures sont proposés. Le premier est basé sur le modèle de « passage de messages » pour les machines à mémoires distribuées. La parallélisation concerne l'irrigation de nouvelles zones de tissu par les vaisseaux existants. Le deuxième algorithme est dédié aux machines à mémoire partagée. Il parallélise également le processus de perfusion mais des processeurs différents se chargent de gérer les différents arbres vasculaires. Le troisième algorithme est une combinaison des approches précédentes offrant une solution pour les architectures parallèles hybrides. Les algorithmes proposés permettent d'accélérer considérablement la croissance des réseaux vasculaires complexes, ce qui rend possible la simulation de structures vasculaires plus précises, en un temps raisonnable et aide à améliorer le modèle vasculaire et à tester plus facilement différents jeux de paramètres. Une nouvelle approche de modélisation computationnelle des flux en IRM est également proposée. Elle combine le calcul de flux par la méthode de Lattice Boltzmann, la simulation IRM par le suivi temporel de magnétisations locales, ainsi qu'un nouvel algorithme de transport des magnétisations. Les résultats montrent qu'une telle approche intègre naturellement l'influence du flux dans la modélisation IRM. Contrairement aux travaux de la littérature, aucun mécanisme additionnel n'est nécessaire pour considérer les artéfacts de flux, ce qui offre une grande facilité d'extension du modèle. Les principaux avantages de cette méthode est sa faible complexité computationnelle, son implémentation efficace, qui facilitent le lancement des simulations en utilisant différents paramètres physiologiques ou paramètres d'acquisition des images. La troisième partie du travail de thèse a consisté à appliquer le modèle d'imagerie de flux à des réseaux vasculaires complexes en combinant les modèles de vaisseaux, de flux et d'acquisition IRM. Les algorithmes sont optimisés à tous les niveaux afin d'être performants sur des architectures parallèles. Les possibilités du modèle sont illustrées sur différents cas. Cette démarche de modélisation peut aider à mieux interpréter les images IRM grâce à l'intégration, dans les modèles, de connaissances variées allant de la vascularisation des organes jusqu'à la formation de l'image en passant par les propriétés des flux sanguins. / This PhD thesis concerns computer modeling of magnetic resonance imaging (MRI). The main attention is centered on imaging of vascular structures. Such imaging is influenced not only by vascular geometries but also by blood flow which has to been taken into account in modeling. Next to the question about the quality of developed models, the challenge lies also in the demand for high performance computing. Thus, in order to manage computationally complex problems, parallel computing is in use. In the thesis three solutions are proposed. The first one concerns parallel algorithms of vascular network modeling. Algorithms for different architectures are proposed. The first algorithm is based on the message passing model and thus, it is suited for distributed memory architectures. It parallelizes the process of connecting new parts of tissue to existing vascular structures. The second algorithm is designed for shared memory machines. It also parallelizes the perfusion process, but individual processors perform calculations concerning different vascular trees. The third algorithm combines message passing and shared memory approaches providing solutions for hybrid parallel architectures. Developed algorithms are able to substantially speed up the time-demanded simulations of growth of complex vascular networks. As a result, more elaborate and precise vascular structures can be simulated in a reasonable period of time. It can also help to extend the vascular model and to test multiple sets of parameters. Secondly, a new approach in computational modeling of magnetic resonance (MR) flow imaging is proposed. The approach combines the flow computation by lattice Boltzmann method, MRI simulation by following discrete local magnetizations in time and a new magnetization transport algorithm together. Results demonstrate that such an approach is able to naturally incorporate the flow influence in MRI modeling. As a result, in the proposed model, no additional mechanism (unlike in prior works) is needed to consider flow artifacts, what implies its easy extensibility. In combination with its low computational complexity and efficient implementation, the solution is a user-friendly and manageable at different levels tool which facilitates running series of simulations with different physiological and imaging parameters. The goal of the third solution is to apply the proposed MR flow imaging model on complex vascular networks. To this aim, models of vascular networks, flow behavior and MRI are combined together. In all the model components, computations are adapted to be performed at various parallel architectures. The model potential and possibilities of simulations of flow and MRI in complex vascular structures are shown. The model aims at explaining and exploring MR image formation and appearance by the combined knowledge from many processes and systems, starting from vascular geometry, through flow patterns and ending on imaging technology.

Lattice Boltzmann Method has been quite successful for incompressible flows. Its extension for compressible (especially supersonic and hypersonic) flows has attracted lot of attention in recent time. There have been some successful attempts but nearly all of them have either resulted in complex or expensive equilibrium function distributions or in extra energy levels. Thus, an efficient Lattice Boltzmann Method for compressible fluid flows is still a research idea worth pursuing for. In this thesis, a new Lattice Boltzmann Method has been developed for compressible flows, by using the concept of a relaxation system, which is traditionally used as semilinear alternative for non-linear hypebolic systems in CFD. In the relaxation system originally introduced by Jin and Xin (1995), the non-linear flux in a hyperbolic conservation law is replaced by a new variable, together with a relaxation equation for this new variable augmented by a relaxation term in which it relaxes to the original nonlinear flux, in the limit of a vanishing relaxation parameter. The advantage is that instead of one non-linear hyperbolic equation, two linear hyperbolic equations need to be solved, together with a non-linear relaxation term. Based on the interpretation of Natalini (1998) of a relaxation system as a discrete velocity Boltzmann equation, with a new isotropic relaxation system as the basic building block, a Lattice Boltzmann Method is introduced for solving the equations of inviscid compressible flows. Since the associated equilibrium distribution functions of the relaxation system are not based on a low Mach number expansion, this method is not restricted to the incompressible limit. Free slip boundary condition is introduced with this new relaxation system based Lattice Boltzmann method framework. The same scheme is then extended for curved boundaries using the ghost cell method. This new Lattice Boltzmann Relaxation Scheme is successfully tested on various bench-mark test cases for solving the equations of compressible flows such as shock tube problem in 1-D and in 2-D the test cases involving supersonic flow over a forward-facing step, supersonic oblique shock reflection from a flat plate, supersonic and hypersonic flows past half-cylinder.

Dans les structures en béton précontraint, les phénomènes de fluage et de retrait tendent à réduire les efforts de précontrainte initialement prévus pour maintenir le béton dans un état minimisant les forces de traction et donc la fissuration. La compréhension et la prédiction de ces phénomènes par le biais de modèles sont donc primordiales pour la conception et la maintenance à long terme des ouvrages du génie civil tels que les enceintes de confinement des centrales nucléaires.L’objectif de cette thèse est d’élaborer un cadre de modélisation micromécanique pour décrire de manière unifiée le retrait et le fluage dans les matériaux cimentaires. Pour cela, l’étude se base sur l’échelle de la microstructure poreuse du gel de C-S-H où les mécanismes intrinsèques de ces déformations différées du béton opèrent. Une approche d’homogénéisation numérique modélisant ces phénomènes dans des microstructures poreuses à morphologies quelconques est développée. Une description explicite du réseau poreux ainsi que de la phase liquide de l’eau pendant les processus de séchage/humidification est prise en compte. Les mécanismes concernant lesdéformations différées dans la phase solide sont modélisés par la théorie de la microprécontrainte-solidification (MPS). Les simulations à l’échelle microscopique sont réalisées par une approche originale couplant la méthode de Lattice Boltzmann (LBM) et la méthode des éléments finis (FEM). La LBM est utilisée pour décrire la distribution du liquide capillaire à l’échelle du pore,tandis que la FEM est employée pour simuler la déformation du squelette solide sous l’action combinée de l’eau dans l’espace poreux et d’un chargement macroscopique.La démarche proposée permet, au travers des simulations, de mieux comprendre les mécanismes liés à la non saturation et aux effets capillaires dans les milieux poreux. En particulier, la prise en compte de morphologies réalistes de microstructures et des ménisques formés conduit à différents régimes de retrait/gonflement. Ainsi les effets de l’intensité de la pression capillaire,de la tension de surface et des surfaces de chargement sur la réponse élastique du squelette solide sont évalués. Enfin, nous proposons une extension des approches précédentes au cas d’un squelette viscoélastique se déformant sous les effets de la pression capillaire et des tensions de surface. A partir des observations numériques réalisées, nous proposons un modèle pour décrire le fluage et le retrait du gel de C-S-H de manière unifiée / In pre-stressed concrete structures, creep and shrinkage tend to reduce the pre-stress forces which are initially produced so as to maintain concrete in a state minimizing traction forces and then cracks. Understanding and predicting these phenomena through models are thus highly important for the design and durability of civil engineering structures, such as containment buildings in nuclear power plants.The objective of this thesis is to develop a micromechanical modeling framework to describe shrinkage and creep in cementitious materials in a unified manner. For this purpose, the study focuses on the scale of the porous structure of the C-S-H gel where the intrinsic mechanisms of delayed strains are active. A computational homogenization approach is developed to model these phenomena in porous structures with arbitrary morphologies. An explicit description of the porous network and of the liquid phase of water during the drying/humidification process is taken into account. The mechanisms related to delayed strains in the solid phase are modeled by the microprestress-solidification theory (MPS). The simulations at the microscale are conductedbased on an original approach coupling the Lattice Boltzmann method (LBM) and the finite element method (FEM). The LBM is used to describe the distribution of capillary water in the porous structure, whereas the FEM serves as modeling the strain of the solid skeleton under the capillary water effets and a macroscopic load.The proposed method allows, by means of the simulations, to better understand the mechanisms related to the capillary effects in the porous structure. More specifically, taking into account realistic morphologies of microstructures and of the formed menisci lead to different regimes of shrinkage/swelling. Then, the effects of capillary pressure intensity, of surface tension and of morphologies of capillary surfaces on the elastic response of the solid skeleton are evaluated. Finally, the above approaches are extended to the case of a viscoelastic solid deformed under the action of the capillary water. From numerical observations, we propose a model is proposed to describe the creep and shrinkage of C-S-H gel in a unified way

Liquid film flow is an important flow type in many applications of process engineering. For supporting experiments, theoretical and numerical investigations are required. The present state of the art is to model the liquid film flow with Navier--Stokes-based methods, whereas the lattice Boltzmann method is employed here. The final model has been developed within this treatise by means of a two-phase flow and a heat transfer model, and boundary and initial conditions. All these sub-models have been applied to simple test cases. It could be found that the two-phase model is capable of solving flow phenomena with a large density ratio which has been shown impressively in conjunction with wall boundary conditions. The heat transfer model was tested against spectral method results with a transient non-uniform flow field. It was possible to find optimal parameters for computation. The final model has been applied to steady-state film flow, and showed very good agreement to OpenFOAM simulations. Tests with transient film flow demonstrated that the model is also able to predict these flow phenomena. / Flüssigkeitsfilmströmungen kommen in vielen verfahrenstechnischen Prozessen zum Einsatz. Zur Unterstützung von Experimenten sind theoretische und numerische Untersuchungen nötig. Stand der Technik ist es, Navier--Stokes-basierte Modelle zu verwenden, wohingegen hier die Lattice-Boltzmann-Methode verwendet wird. Das finale Modell wurde unter Verwendung eines Zweiphasen- und eines Wärmeübertragungsmodell entwickelt und geeignete Rand- und Anfangsbedingungen formuliert. Alle Untermodelle wurden anhand einfacher Testfälle überprüft. Es konnte herausgefunden werden, dass das Zweiphasenmodell Strömungen großer Dichteunterschiede rechnen kann, was eindrucksvoll im Zusammenhang mit Wandrandbedingungen gezeigt wurde. Das Wärmeübertragungsmodell wurde gegen eine Spektrallösung anhand eines transienten und nichtuniformen Strömungsproblemes getestet. Stationäre Filmströmungen zeigten sehr gute Übereinstimmungen mit OpenFOAM-Lösungen und instationäre Berechungen bewiesen, dass das Model auch solche Strömungen abbilden kann.