This thesis reports the methods to simulate flows withcomplex boundary such as orifice flow. The method is forgeneral purposes so that it has been tested on different flowsincluding orifice flow. Also it contains a chapter about theexperiment of orifice flow. Higher-order precision interpolation schemes are used inumerical simulation to improve prediction at acceptable gridrefinement. Because higher-order schemes cause instability inconvection-diffusion problems or involve a large computationalkernel, they are implemented with deferred correction method. Alower-order scheme such as upwind numerical scheme is used tomake preliminary guess. A deferred (defect) correction term isadded to maintain precision. This avoids the conflict betweenprecision order and implementation difficulty. The authorproposes a shifting between upwind scheme and centraldifference scheme for the preliminary guess. This has beenproven to improve convergence while higher order schemes havewider range of stability. Non-orthogonal grid is a necessity for complex flow. Usuallyone can map coordinate of such a grid to a transformed domainwhere the grid is regular. The cost is that differentialequations get much more complex form. If calculated directly innon-orthogonal grid, the equations keep simple forms. However,it is difficult to make interpolation in a non-orthogonal grid.Three methods can be used: local correction, shape function andcurvilinear interpolation. The local correction method cannotinsure second-order precision. The shape function method uses alarge computational molecule. The curvilinear interpolationthis author proposes imports the advantage of coordinatetransformation method: easy to do interpolation. A coordinatesystem staggered half control volume used in the coordinatetransformation method is used as accessory to deriveinterpolation schemes. The calculation in physical domain withnon-orthogonal grid becomes as easy as that in a Cartesianorthogonal grid. The author applies this method to calculate turbulentorifice flow. The usual under-prediction of eddy length isimproved with the ULTRA-QUICK scheme to reflect the highgradients in orifice flow. In the last chapter, the author quantifies hydraulicabruptness to describe orifice geometry. The abruptness canhelp engineers to interpolate existing data to a new orifice,which saves detailed experiments

<p>This thesis reports the methods to simulate flows withcomplex boundary such as orifice flow. The method is forgeneral purposes so that it has been tested on different flowsincluding orifice flow. Also it contains a chapter about theexperiment of orifice flow.</p><p>Higher-order precision interpolation schemes are used inumerical simulation to improve prediction at acceptable gridrefinement. Because higher-order schemes cause instability inconvection-diffusion problems or involve a large computationalkernel, they are implemented with deferred correction method. Alower-order scheme such as upwind numerical scheme is used tomake preliminary guess. A deferred (defect) correction term isadded to maintain precision. This avoids the conflict betweenprecision order and implementation difficulty. The authorproposes a shifting between upwind scheme and centraldifference scheme for the preliminary guess. This has beenproven to improve convergence while higher order schemes havewider range of stability.</p><p>Non-orthogonal grid is a necessity for complex flow. Usuallyone can map coordinate of such a grid to a transformed domainwhere the grid is regular. The cost is that differentialequations get much more complex form. If calculated directly innon-orthogonal grid, the equations keep simple forms. However,it is difficult to make interpolation in a non-orthogonal grid.Three methods can be used: local correction, shape function andcurvilinear interpolation. The local correction method cannotinsure second-order precision. The shape function method uses alarge computational molecule. The curvilinear interpolationthis author proposes imports the advantage of coordinatetransformation method: easy to do interpolation. A coordinatesystem staggered half control volume used in the coordinatetransformation method is used as accessory to deriveinterpolation schemes. The calculation in physical domain withnon-orthogonal grid becomes as easy as that in a Cartesianorthogonal grid.</p><p>The author applies this method to calculate turbulentorifice flow. The usual under-prediction of eddy length isimproved with the ULTRA-QUICK scheme to reflect the highgradients in orifice flow.</p><p>In the last chapter, the author quantifies hydraulicabruptness to describe orifice geometry. The abruptness canhelp engineers to interpolate existing data to a new orifice,which saves detailed experiments</p>

Numerical model for simulating sediment transport in unsteady flow is incomplete in several aspects: first of all, the numerical schemes have been proved suitable for the simulation of flow over rigid bed needs to be reevaluated for unsteady flow over mobile bed; secondly, existing non-equilibrium sediment transport models are empirically developed and therefore lack of consistency regarding the evaluation of the non-equilibrium parameters; thirdly, the sediment transport in various applications have unique features which needs to be considered in the models. Sediment transport in unsteady flows was studied using analytical and numerical methods. A one dimensional (1D) finite volume method (FVM) model was developed. Five popular numerical schemes were implemented into the model and their performances were evaluated under highly unsteady flow condition. A novel physically-based non-equilibrium sediment transport model was established to describe the non-equilibrium sediment transport process. Infiltration effects on flow and sediment transport was included to make the model applicable to simulate irrigation induced soil erosion in furrows. The Laursen (1958) formula was adopted and modified to calculate the erodibility of fine-grain sized soil, and then verified by laboratory and field datasets. The numerical model was applied to a series of simulations of sediment transport in highly unsteady flow including the dam break erosional flow, flash flood in natural rivers and irrigation flows and proved to be applicable in various applications. The first order schemes were able to produce smooth and reasonably accurate results, and spurious oscillations were observed in the simulated results produced by second order schemes. The proposed non-equilibrium sediment transport model yielded better results than several other models in the literatures. The modified Laursen (1958) formula adopted was applicable in calculating the erodibility of the soil in irrigation. Additionally, it was indicated that the effect of the jet erosion and the structural failure of the discontinuous bed topography cannot be properly accounted for due to the limitation of 1D model. The comparison between the simulated and measured sediment discharge hydrographs indicated a potential process associated to the transport of the fine-grain sized soil in the irrigation furrows.

A Large-Eddy Simulation (LES) methodology adapted to the resolution of high Reynolds number turbulent flows in supersonic conditions was proposed and developed. A novel numerical scheme was designed, that switches from a low-dissipation central scheme for turbulence resolution to a flux difference splitting scheme in regions of discontinuities. Furthermore, a state-of-the-art closure model was extended in order to take compressibility effects and the action of shock / turbulence interaction into account. The proposed method was validated against fundamental studies of high speed flows and shock / turbulence interaction studies. This new LES approach was employed for the study of shock / turbulent shear layer interaction as a mixing-augmentation technique, and highlighted the efficiency in mixing improvement after the interaction, but also the limited spatial extent of this turbulent enhancement. A second practical study was conducted by simulating the injection of a sonic jet normally to a supersonic crossflow. The validity of the simulation was assessed by comparison with experimental data, and the dynamics of the interaction was examined. The sources of vortical structures were identified, with a particular emphasis on the impact of the flow speed onto the vortical evolution.

In this article, we propose a new grid-free and exact solution method for computing solutions associated with an hybrid traffic flow model based on the Lighthill- Whitham-Richards (LWR) partial differential equation. In this hybrid flow model, the vehicles satisfy the LWR equation whenever possible, and have a fixed acceleration otherwise. We first present a grid-free solution method for the LWR equation based on the minimization of component functions. We then show that this solution method can be extended to compute the solutions to the hybrid model by proper modification of the component functions, for any concave fundamental diagram. We derive these functions analytically for the specific case of a triangular fundamental diagram. We also show that the proposed computational method can handle fixed or moving bottlenecks.

Les écoulements diphasiques en milieu poreux sont des phénomènes complexes et qui concernent de nombreux problèmes industriels. EDF travaille sur la faisabilité et la sécurité d'un stockage en couche géologique profonde de déchets nucléaires. Dans ce domaine la simulation des écoulements diphasiques en milieu poreux est particulièrement importante dans au moins trois domaines : tout d'abord lors de la phase de ventilation des galeries du stockage qui pourrait désaturer la roche présente et ainsi en modifier ses propriétés de rétention, mais également lors de la phase de resaturation des matériaux et enfin lors de l'arrivée de l'eau sur les parties métalliques contenues dans le stockage qui entraînera alors des phénomènes de corrosion et un dégagement d'hydrogène. Dans ce contexte, EDF souhaite se doter de méthodes numériques performantes et robustes ne nécessitant pas de conditions restrictives sur la forme des mailles. Ce travail s'inscrivant dans cette problématique, est consacré dans un premier temps au développement du schéma volumes finis SUSHI (Scheme Using Stabilization and Hybrid Interfaces) dans le code de mécanique d'EDF, Code_Aster afin de modéliser les écoulements diphasique en milieu poreux. Ce schéma a été développé en 2D et en 3D. Parallèlement une nouvelle formulation qui permet de traiter de manière uniforme les écoulements en milieu saturé et insaturé pour des problèmes miscibles et immiscibles est proposée. Différentes études modélisant des difficultés liées aux problématiques du stockage de déchets radioactifs en couches géologiques profondes ont été traitées. On peut citer l'étude d'un bi-matériau qui met en avant le ré-équilibrage capillaire d'un matériau par un autre possédant des propriétés et des conditions initiales en saturation très hétérogènes. On citera également l'étude de l'injection d'hydrogène dans un milieu initialement saturé en eau pure qui est tirée du benchmark « Ecoulement diphasique » proposé par le GNR MOMAS. Cette étude avait pour objectif de mettre en évidence le bon traitement de l'apparition d'une phase dans un milieu saturé et donc la pertinence de notre nouvelle formulation à traiter d'une manière unifié un problème d'écoulement saturé et un problème d'écoulement insaturé / The two-phase flow in porous media is a complex phenomenon and which relate to many industrial problems. EDF works on the feasibility and the safety of a storage in deep geologic layer of nuclear waste. In this domain the simulation of the two-phase flow in porous media is particularly important in at least three domains : first of all during the phase of ventilation of the galleries of the storage which could desaturate the rock and so modify its properties, but also during the phase of resaturation of the materials and finally during the arrival of the water on the metal parts contained in the storage which will then involve phenomena of corrosion and a hydrogen release. In this context, EDF wishes to obtain robust numerical methods without restrictive condition on the mesh. This work is dedicated at first to the development of the finite volume scheme SUSHI (Scheme Using Stabilization and Hybrid Interfaces) in the code of mechanics of EDF, Code_Aster in order to simulate the two-phase flow in porous media. This scheme was developed in 2D and in 3D. At the same time a new formulation which allows to simulate in a uniform way the flows in saturated and unsaturated porous media for miscible and immiscible problems is proposed. Various studies simulating difficulties related to the problems of the storage of nuclear waste in deep geological layers were study. We can quote the study of a bi-material which advances the capillary rebalancing of a material by an other one possessing properties and initial very heterogeneous conditions in saturation. We will also quote the study of the injection of hydrogen in an porous media initially saturated in pure water which is proposed by the benchmark "two-phase Flow " proposed by the GNR MOMAS. This study had for objective to bring to light the good treatment of the appearance of a phase in a saturated porous media and thus the relevance of our new formulation to study with a way unified a problem of saturated flow and a problem of unsaturated flow

Réalisé en majeure partie sous la tutelle de feu le Professeur Paul Arminjon. Après sa disparition, le Docteur Aziz Madrane a pris la relève de la direction de mes travaux. / Après un bref rappel sur les équations hyperboliques et les méthodes numériques classiques qui serviront pour les calculs de base dans nos simulations (MCS -- Main Computation Scheme), nous revenons sur le principe de compression artificielle de A. Harten, et la construction de la méthode de compression artificielle (ACM -- Artificial Compression Method). Nous insistons dans cette partie sur la nécessité d'associer l'ACM à un détecteur de discontinuité (DoD -- Detector of Discontinuities). Le triplet MCS/DoD/ACM ainsi formé peut être optimisé module par module. Nous proposons ensuite plusieurs extensions de l'ACM à différents degrés et différents ordres, jusqu'à l'ACM(2,2). Nous formulons aussi une méthodologie de construction de ces extensions, notées ACM(d,r), pour un degré d et un ordre r. Ces extensions sont moins sensibles aux discontinuités des dérivées d'une solution continue et elles perturbent moins les calculs menés par le MCS hors des discontinuités. Ceci les rend plus modulaires et utilisables sur une plus grande variété de problèmes, même avec un DoD moins fiable. Puis, nous passons à l'extension bidimensionnelle de l'ACM(1,1). D'abord pour des maillages cartésien, nous explorons une approche utilisant la séparation en espace, et une autre utilisant une méthode amont classique, appelée DCU (Donor-Cell Upwind). Nous proposons aussi une approche originale, spécialement construite pour l'ACM, que nous qualifions de directionnelle. Les deux dernières approches (DCU et directionnelle) sont ensuite reprises pour un maillage triangulaire non-structuré, ou plus exactement sur les deux maillages duaux de Voronoï (cellules barycentriques et cellules en diamant) issus d'un maillage en triangles, avec pour MCS le schéma d'Arminjon-Viallon-Madrane. Enfin, nous abordons le problème de la détection des discontinuités et proposons un DoD basé sur une propriété physique des chocs: la production d'entropie. Les raisonnements mis en place dans cette partie font intervenir deux maillages complémentaires, pouvant être traités par deux unités de calcul différentes, tirant ainsi pleinement parti des nouvelles technologies de processeurs multi-coeurs. Cet outil est construit pour les maillages unidimensionnels ainsi que bidimensionnels cartésiens et triangulaires non-structurés. / After a short review about hyperbolic equations and the classical numerical methods that will be used as a basis for computations in our simulations (we call them MCS -- Main Computation Scheme), we come back to the principle of artificial compression, as defined by A. Harten, and the construction of the Artificial Compression Method (ACM). In this part, we insist on the necessity to associate the ACM with a Detector of Discontinuities (DoD). The trio MCS/DoD/ACM thus formed may be optimised one module at a time. Then we propose some extensions of ACM up to different degrees and different orders, ending with ACM(2,2). We also formulate a way to build these extensions, noted ACM(d,r), up to a degree d and an order r. These extensions are less sensitive to discontinuities in the derivatives of a continuous solution and they less perturbate the computations performed by the MCS outside of discontinuities. This makes them more modular and usable with a wider variety of problems, even with a less reliable DoD. We follow up with the extension in two space dimensions of the ACM(1,1). First for cartesian grids, we explore an approach using space-splitting, and another using the classical Donor-Cell Upwind scheme (DCU). We also propose an original approach, specially designed for the ACM, that we call directional. These two last approaches (DCU and directional) are then applied to triangular unstructured grids, and more precisely to the two dual Voronoï meshes (barycentric cells and diamond cells) built from the triangular elements, together with the Arminjon-Viallon-Madrane extension of the Nessyahu-Tadmor scheme as MCS. Last but not least, we turn our attention to the problem of detecting discontinuities, and propose a DoD based on a physical property of shocks: the entropy production. The ideas developped in this part imply the use of two complementary meshes, that can be treated independently by two computing units, thus taking full advantage of the new technology of multi-core processors. This tool is made available for one-dimensional meshes, as for two-dimensional cartesian and unstructured triangular grids.

Ce travail porte sur la modélisation et la simulation du trafic routier sur un réseau. Modéliser le trafic sur une section homogène (c'est-à-dire sans entrée, ni sortie) trouve ses racines au milieu du XXème siècle et a généré une importante littérature depuis. Cependant, la prise en compte des discontinuités des réseaux comme les jonctions, n'a attiré l'attention du cercle scientifique que bien plus récemment. Pourtant, ces discontinuités sont les sources majeures des congestions, récurrentes ou non, qui dégradent la qualité de service des infrastructures. Ce travail se propose donc d'apporter un éclairage particulier sur cette question, tout en s'intéressant aux problèmes d'échelle et plus particulièrement au passage microscopique-macroscopique dans les modèles existants. La première partie de cette thèse est consacrée au lien existant entre les modèles de poursuite microscopiques et les modèles d'écoulement macroscopiques. Le passage asymptotique est assuré par une technique d'homogénéisation pour les équations d'Hamilton-Jacobi. Dans une deuxième partie, nous nous intéressons à la modélisation et à la simulation des flux de véhicules au travers d'une jonction. Le modèle macroscopique considéré est bâti autour des équations d'Hamilton-Jacobi. La troisième partie enfin, se concentre sur la recherche de solutions analytiques ou semi-analytiques, grâce à l'utilisation de formules de représentation permettant de résoudre les équations d'Hamilton-Jacobi sous de bonnes hypothèses. Nous nous intéressons également dans cette thèse, à la classe générique des modèles macroscopiques de trafic de second ordre, dits modèles GSOM / This work focuses on modeling and simulation of traffic flows on a network. Modeling road traffic on a homogeneous section takes its roots in the middle of XXth century and it has generated a substantial literature since then. However, taking into account discontinuities of the network such as junctions, has attracted the attention of the scientific circle more recently. However, these discontinuities are the major sources of traffic congestion, recurring or not, that basically degrades the level of service of road infrastructure. This work therefore aims to provide a unique perspective on this issue, while focusing on scale problems and more precisely on microscopic-macroscopic passage in existing models. The first part of this thesis is devoted to the relationship between microscopic car-following models and macroscopic continuous flow models. The asymptotic passage is based on a homogenization technique for Hamilton-Jacobi equations. In a second part, we focus on the modeling and simulation of vehicular traffic flow through a junction. The considered macroscopic model is built on Hamilton-Jacobi equations as well. Finally, the third part focuses on finding analytical or semi-analytical solutions, through representation formulas aiming to solve Hamilton-Jacobi equations under adequate assumptions. In this thesis, we are also interested in a generic class of second order macroscopic traffic flow models, the so-called GSOM models

La thèse s'inscrit dans le contexte des accidents graves dans les réacteurs nucléaires qui sont étudiés au laboratoire de physique et modélisation des accidents graves (LPMA) du CEA de Cadarache. Un accident grave survient lors de la perte du caloporteur au niveau du circuit primaire ce qui provoque une dégradation du combustible et la création d'un bain de corium. Celui-ci va ensuite se propager en cuve et fortement endommager les structures du réacteur. Pour la sûreté nucléaire, il est donc nécessaire de pouvoir prévoir la propagation de ce corium, d'où la création en 2013 de la plateforme PROCOR (Java) permettant aux travers d'applications industrielles de simuler cette propagation. Ces applications sont un ensemble de modèles physiques, couplés sur une macro boucle en temps, ayant chacun un ensemble d'équations algébriques et différentielles qui sont résolues en interne des modèles. Les modèles de la plateforme sont généralement des modèles OD dont la discrétisation spatiale est remplacée par des corrélations généralement issues de l'expérience. Chaque modèle a aussi un ensemble d'états et de règles de transition, et un changement d'état peut alors survenir à l'intérieur de la macro boucle en temps. Au début de la thèse, le couplage était simplement un chaînage des modèles sur la macro boucle en temps : chaque modèle est résolu l'un après l'autre, l'ordre étant défini par le créateur de l'application, et les modèles sont synchronisés à la fin de cette boucle. Les résultats des applications industrielles de la plateforme en modifiant simplement le pas de temps de la macro boucle en temps montrent une forte dépendance du schéma avec ce pas de temps. On a par exemple 10 % d'écart sur les flux imposés sur la cuve du réacteur en passant d'un pas de temps de 100 s à 50 s, ce qui a un fort impact sur les résultats de sûreté nucléaire. / This thesis focuses on solving coupled problems of models of interest for the simulation of severe accidents in nuclear reactors~: these coarse-grained models allow for fast calculations for statistical analysis used for risk assessment and solutions of large problems when considering the whole severe accident scenario. However, this modeling approach has several numerical flaws. Besides, in this industrial context, computational efficiency is of great importance leading to various numerical constraints. The objective of this research is to analyze the applicability of explicit coupling strategies to solve such coupled problems and to design implicit coupling schemes allowing stable and accurate computations. The proposed schemes are theoretically analyzed and tested within CEA's procor{} platform on a problem of heat conduction solved with coupled lumped parameter models and coupled 1D models. Numerical results are discussed and allow us to emphasize the benefits of using the designed coupling schemes instead of the usual explicit coupling schemes.

La protection et la remédiation des ressources en eau sont un enjeu sociétal majeur, ainsi il est nécessaire de comprendre l’évolution de solutés, tels les polluants, au sein de la zone saturée et non saturée. Dans ce but, de nombreux travaux ont été consacrés à la modélisation du transport réactif en milieux poreux. Son déroulement à l’échelle de Darcy dépend des hétérogénéités microscopiques du milieu. Les modèles de réseau de pores qui simplifient la géométrie en un ensemble de pores reliés par des liens de sections constantes, permettent de se placer à une échelle mésoscopique, faisant le lien entre l’échelle porale et l’échelle de Darcy. Sur de telles formes géométriques, l’écoulement admet un traitement analytique. En ce qui concerne le transport réactif des solutés, nous proposons une solution analytique dans les liens qui permet de calculer le débit de masse entre pores. Le modèle de transport se formule alors comme un système d’équations de Volterra de secondes espèces dont les noyaux de convolution sont des séries d’exponentielles décroissantes (hormis le premier terme qui est constant). Leurs temps de relaxation sont pilotés essentiellement par le temps de dispersion td. Dans la limite où td tend vers 0 à Péclet constant, les termes transitoires des noyaux se réduisent à un Dirac, débouchant sur un premier modèle simplifié à réponse instantanée c'est-à-dire un modèle de transport quasi-statique. Dans le cas où les volumes des pores sont suffisamment grands, les noyaux se réduisent à leur premier terme. Ces formulations du transport généralisent celles de la littérature. En particulier pour des Péclet petit ou grand on retrouve respectivement les modèles usuels en régime dispersif et convectif. Numériquement, la décroissance exponentielle des noyaux permet d’optimiser le calcul des convolutions avec une précision arbitrairement fixée, réduisant drastiquement le temps de résolution. / Protection and remediation of ground water resources are a major societal challenge. It implies to understand the evolution of solutes as pollutant in the saturated and non-saturated zones. For that purpose numerous studies have been conducted for modeling the reactive transport in a porous media. At Darcy scale, the behavior of solutes depends on microscopic heterogeneity for the media. The Pore Network Models (PNM) simplifies drastically its geometry and considers pores linked by straight throats the section of which is constant. They give a description which is in between the macroscopic and the pore descriptions. With such geometry it is possible to use a Poiseuille flow modeling the flux. With respect to the reactiontransport equation, we seek the analytical solution of the CDE in throats, which in turn allows computing the mass flux in pores. The transport solution consists of a Volterra equation system. Its convolution kernels result in a summation of time function which is decreasing exponentially with time (except the first term which still constant). The time constant is driven by the diffusion time td. As td goes to zero, keeping the Peclet number fixed, each term of the summation reduces to a Dirac. The response of the system is then instantaneous. When the volume of the pore is large enough it is possible to neglect all the term of the kernel except the constant one. In the limit where the Peclet number goes to zero, usual models are recovered. Numerically, the exponential time decreasing of the kernel allow to optimize their computational time up to an arbitrary fixed precision.