Numerical simulation of wave behaviour in shallow and deep water is often a key aspect of ocean, coastal, and river hydrodynamic studies. This thesis derives nonlinear one- and two-dimensional level I Green-Naghdi (GN) equations that model the motions of free surface waves in shallow water over non-uniform bed topography. By assuming fitted velocity profiles through the depth, GN equations are simpler than Boussinesq equations, while retaining the wave dispersion property. Implicit matrix solvers are used to solve the spatially discretised 1D and 2D GN equations, with a 4th order Runge Kutta scheme used for time integration. To verify the developed numerical solvers of 1D GN equations, a series of simulations are undertaken for standard benchmark tests including sloshing in a tank and solitary wave propagation over a flat bed. In all cases, grid convergence tests were conducted. In the sloshing test, both numerical schemes and the analytical solution were in complete agreement for small-amplitude free surface motions. At larger values of initial sloshing amplitude, the nonlinear effects caused the free surface waves to steepen, and eventually the numerical simulations became unstable. This could be resolved in future using a shock-capturing scheme. Excellent agreement was achieved between the numerical predictions and analytical solution for solitary waves propagating. The 2D GN equation solver was then verified for the benchmark tests of Gaussian hump sloshing and solitary wave propagation in closed basin. The predicted free surface motions for Gaussian hump sloshing were in good agreement with linear Fourier analytical solutions for a certain initial period, after which nonlinear effects started to dominate the numerical solution. A reversibility check was undertaken. Nonlinear effects were investigated by increasing the amplitude of the hump, and applying harmonic separation (by comparison against slosh predictions for a corresponding Gaussian trough). It was found that the even harmonic components provided a useful indication of the nonlinear behaviour of the 2D GN equations. 2D GN simulations of a 0.6 m amplitude solitary wave propagation in 1 m deep water over a flat, horizontal bed confirmed that nonlinear interaction was correctly modelled, when the solitary wave hit a solid wall and its runup reached 2.36 m which was 0.36m more than the linear analytical solution and almost identical to a second order solution.

De nombreux domaines utilisent à présent de nouveaux types de grilles composées de polyèdres arbitraires, autrement dit des grilles fortement non-structurées. La problématique de cette thèse concerne la définition de nouveaux outils de visualisation et de calcul sur de telles grilles. Pour la visualisation, cela pose à la fois le problème du stockage et de l'adaptativité des algorithmes à une géométrie et une topologie variables. Pour le calcul, cela pose le problème de la résolution de grands systèmes linéaires creux non-structurés. Pour aborder ces problèmes, l'augmentation incessante de la puissance de calcul parallèle des processeurs graphiques nous fournit de nouveaux outils. Toutefois, l'utilisation de ces GPU nécessite de définir de nouveaux algorithmes adaptés aux modèles de programmation parallèle qui leur sont spécifiques. Nos contributions sont les suivantes : (1) Une méthode générique de visualisation tirant partie de la puissance de calcul des GPU pour extraire des isosurfaces à partir de grandes grilles fortement non-structurées. (2) Une méthode de classification de cellules qui permet d'accélérer l'extraction d'isosurfaces grâce à une pré-sélection des seules cellules intersectées. (3) Un algorithme d'interpolation temporelle d'isosurfaces. Celui-ci permet de visualiser de manière continue dans le temps l'évolution d'isosurfaces. (4) Un algorithme massivement parallèle de résolution de grands systèmes linéaires non-structurés creux sur le GPU. L'originalité de celui-ci concerne son adaptation à des matrices de motif arbitraire, ce qui le rend applicable à n'importe quel système creux, dont ceux issus de maillages fortement non-structurés / This thesis proposes new tools for visualization and computation on strongly unstructured grids. Visualization of such grids that have variable geometry and topology, poses the problem of how to store data and how algorithms could handle such variability. Doing computations on such grids poses the problem of solving large sparse unstructured linear systems. The ever-growing parallel power of GPUs makes them more and more valuable for handling theses tasks. However, using GPUs calls for defining new algorithms highly adapted to their specific programming model. Most recent algorithms for Geometry Processing or Computational Fluid Dynamics (CFD) are using new types of grids made of arbitrary polyhedra, in other words strongly unstructured grids. In case of CFD simulations, these grids can be mapped with scalar or vector fields representing physical properties (for example : density, porosity, permeability). Our contributions are: (1) An efficient generic visualization method that uses GPU's power to accelerate isosurface extraction for large unstructured grids. (2) An adaptative cell classification method that accelerates isosurface extraction by pre-selecting only intersected cells. (3) An efficient algorithm for temporal interpolation of isosurfaces. This algrithm helps to visualize in a continuous maner the evolution of isosurfaces through time. (4) A massively parallel algorithm for solving large sparse unstructured linear systems on the GPU. Its originality comes from its adaptation to sparse matrices with random pattern, which enables to solve any sparse linear system, thus the ones that come from strongly unstructured grids

L'objectif de cette thèse était de proposer, puis de valider expérimentalement, un ensemble de méthodes algorithmiques permettant le remaillage parallèle de maillages distribués, en s'appuyant sur une méthode séquentielle de remaillage préexistante. Cet objectif a été atteint par étapes : définition de structures de données et de schémas de communication adaptés aux maillages distribués, permettant le déplacement à moindre coût des interfaces entre sous-domaines sur les processeurs d'une architecture à mémoire distribuée ; utilisation d'algorithmes de répartition dynamique de la charge adaptés aux techniques parallèles de remaillage ; conception d'algorithmes parallèles permettant de scinder le problème global de remaillage parallèle en plusieurs sous-tâches séquentielles, susceptibles de s'exécuter concurremment sur les processeurs de la machine parallèle. Ces contributions ont été mises en oeuvre au sein de la bibliothèque parallèle PaMPA, en s'appuyant sur les briques logicielles MMG3D (remaillage séquentiel de maillages tétraédriques) et PT-Scotch (repartitionnement parallèle de graphes). La bibliothèque PaMPA offre ainsi les fonctionnalités suivantes : communication transparente entre processeurs voisins des valeurs portées par les noeuds, les éléments, etc. ;remaillage, selon des critères fournis par l'utilisateur, de portions du maillage distribué, en offrant une qualité constante, que les éléments à remailler soient portés par un unique processeur ou bien répartis sur plusieurs d'entre eux ; répartition et redistribution de la charge des maillages pour préserver l'efficacité des simulations après remaillage. / The purpose of this thesis was to propose and to validate experimentally a set of algorithmic methods for the parallel remeshing of distributed meshes, based on a preexisting sequential remeshing method. This goal has been achieved through several steps : definition of data structures and of communication schemes suitable for distributed meshes, allowing for cheap migration of subdomain interfaces across the processors of a distributed-memory architecture ; use of dynamic load balancing algorithms suitable for parallel remeshing techniques ; design of parallel algorithms for splitting the global remeshing problem into several independent sequential tasks, susceptible to be executed concurrently across the processors of the parallel machine. These contributions have been implemented into the PaMPA parallel library, taking advantage of the MMG3D (sequential anisotropic tetrahedral remesher) PT-Scotch (parallel graph repartitioning) software. The PaMPA library consequently provides the following features : transparent communication across neighboring processors of data borne by nodes, elements, etc.; remeshing, according to used-defined criteria, of portions of the distributed mesh, that yields constant quality, irrespective of whether elements to be remeshed are located on a single processor or distributed across several of them ; balancing and redistribution of the workload of the mesh, to preserve the efficiency of simulations after the remeshing phase.

Le contrôle précis des modèles géométriques joue un rôle important dans de nombreux domaines. Pour l’optimisation de forme en CFD, le choix des paramètres de contrôle et la technique de déformation de forme est critique. Nous proposons un modeleur paramétrique avec une nouvelle méthode de déformation d’objets, ayant pour objectif d’être intégré dans une boucle d’optimisation automatique de forme avec un solveur CFD. Notre méthodologie est basée sur une double paramétrisation des objets : géométrique et architecturale. L’approche géométrique consiste à décrire les formes par un squelette, composé d’une famille de courbes B-Splines, appelées courbes génératrice et courbes de section. Le squelette est paramétré avec une approche architecturale. Au lieu d’utiliser les points de contrôle de la représentation classique par courbes B-Splines, la géométrie est contrôlée par ces paramètres architecturaux. Cela permet de réduire considérablement le nombre de degrés de liberté utilisés dans le problème d’optimisation de forme, et permet de maintenir une description haut niveau des objets. Notre technique intègre un contrôle de forme et un contrôle de régularité, permettant d’assurer la génération de nouvelles formes valides et réalistes. Les déformations de la géométrie sont réalisées en posant un problème inverse : déterminer une géométrie correspondant à un jeu de paramètres cibles. Enfin, une technique de reconstruction de surface est proposée. Nous illustrons le modeleur paramétrique développé et intégré dans une boucle d’optimisation automatique de forme sur trois cas : un profil d’aile d’avion, un foil AC45 d’un voilier de course et un bulbe de chalutier de pêche. / The precise control of geometric models plays an important role in many domains. For shape optimisation in CFD, the choice of control parameters and the way to deform a shape are critical. In this thesis, we propose a new approach to shape deformation for parametric modellers with the purpose of being integrated into an automatic shape optimisation loop with a CFD solver. Our methodology is based on a twofold parameterisation: geometrical and architectural. The geometrical approach consist of a skeleton-based representation of object. The skeleton is made of a family of B-Spline curves, called generating curve and section curves. The skeleton is parametrised with an architectural approach: meaningful design parameters are chosen on the studied object. Thus, instead of using the control points of a classical B-spline representation, we control the geometry in terms of architectural parameters. This reduce the number of degrees of freedom and maintain a high level description of shapes. We ensure to generate valid shapes with a strong shape consistency control based on architectural considerations. Deformations of the geometry are performed by solving optimisation problems on the skeleton. Finally, a surface reconstruction method is proposed to evaluate the shape’s performances with CFD solvers. We illustrate the parametric modeller capabilities on three problems, performed with an automatic shape optimisation loop: the wind section of an plane (airfoil), the foil of an AC45 racing sail boat and the bulbous bow of a fishing trawler.