A partitioned approach is studied to solve strongly coupled nonlinear fluid structure interaction problems. The stability, convergence and performance of explicit and implicit coupling algorithms are explored. The partitioned approach allows to re-use existing codes in a more general context. One purpose of this work is to be able to couple them as black-boxes. To that end, the scientific software component framework CTL is considered. Therefore a fluid and a structure component based on existing software are developed and coupled with a master code approach. Computational performance of different remote calls and parallel implementation of components are also depicted herein. The re-use of existing software allows to couple advanced models developed for both sub-problems. In this work, the structure part is solved by the Finite Element Method, with the possibility to use different non-linear and large deformation behaviors. For the fluid part, examples modeled with an arbitrary Lagrangian Eulerian formulation are considered, solved with a finite volume method. The models used are first transient incompressible flows described by the Navier-Stokes equation, then free surface flows. With the latter, the impact of sloshing and breaking waves on model structures can be computed

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.

Dans cette thèse, nous avons étudié la simulation numérique des phénomènes d’interaction fluide-structure (IFS) par la méthode des éléments finis pour un fluide incompressible et non visqueux en interaction avec une structure flexible. Les modèles numériques développés sont basé sur une approche d’IFS partitionnée. Une amélioration basée sur une compensation des effets de massé ajoutée est proposée au cours de la thèse afin d’assurer la convergence et la stabilité du schéma de couplage partitionné indépendamment de la densité du fluide impliqué. L’approche corrective nécessite une estimation de la matrice de masse ajoutée et demande une légère modification de l’algorithme itératif. Les méthodes proposées ont été validées sur les cas académiques en comparaison avec les solutions analytiques et sont appliqués au cas d’une nouvelle conception de pompe pour tout type de fluides (gaz, liquides, fluide chargé…), en vue d’affiner la compréhension de son fonctionnement et ainsi mieux la caractériser. Les méthodes ainsi que les validations sont publiées sur un article qui a été accepté par le revue scientifique « Computers & Fluids ». Une présentation orale a effectuée pendant la conférence internationale ACE-X2012 à Istanbul et une autre a été accepté par la conférence nationale CSMA-2013 à Giens. / The numerical simulation of fluid-structure interaction (FSI) by the finite element method has been studied in the context of an incompressible and inviscid flow interacting with a very flexible structure.The numerical models developed in this work are based on a partitioned FSI approach. An improvement based on a compensation of the added-mass effect is proposed during the PhD research in order to ensure the convergence and the stability of the partitioned coupling scheme for all fluids regardless of its density. This simple correction requires to estimate the added-mass matrix and to modify slightly the iterative algorithm.The proposed methods were validated by comparing with analytical solutions for several academic cases and are applied to a novel pumping technology, which is applicable to all kinds of fluid (gas, liquid, slurry...). The main objective is to provide a better understanding about its operations and to improve the designing of pump. The methods and the validation cases are published in an article which has been accepted by the scientific review Computers & Fluids. They were also presented during the international conference ACE-X2012 in Istanbul and have been accepted and scheduled for oral presentation during the national conference CSMA-2013 in Giens.

Au cours de ces travaux de thèse, la résolution de problèmes non-linéaires en interaction forte entre une structure et un fluide a été étudiée par une approche partitionnée. La stabilité, la convergence et les performances de différents schémas de couplages explicites et implicites ont été explorées. L'approche partitionnée autorise la réutilisation des codes existants dans un contexte plus général. Un des objectifs de nos travaux est de les utiliser comme des boites noires, dont on n'a pas le besoin de connaitre le fonctionnement interne. A cette fin, la technologie des composants et le middleware CTL ont été utilisés. Ainsi, deux composants basés sur des codes existants pour le fluide et la structure ont été développés puis couplés par une approche de type code maître.Les performances de différentes architectures de composants aussi bien que la communication entre composants parallélisés sont décrites dans ce document. La réutilisation de codes existants permet de profiter au plus vite des modèles avancés développés de manière spécifique pour nos sous-problèmes. Pour la partie solide, par exemple, il est possible d'utiliser différents modèles éléments finis en grandes déformations avec des matériaux non-linéaires. Pour la partie fluide, nous avons choisi une approche arbitrairement Lagrangienne-Eulérienne, et la résolution par volumes finis. Différents régimes d'écoulements instationnaires aussi bien incompressibles (modélisés alors par les équations de Navier-Stokes) qu'à surfaces libres sont ici considérés. La description de phénomènes tels que le déferlement des vagues et leur impact sur des structures est ainsi rendu possible / A partitioned approach is studied to solve strongly coupled nonlinear fluid structure interaction problems. The stability, convergence and performance of explicit and implicit coupling algorithms are explored. The partitioned approach allows to re-use existing codes in a more general context. One purpose of this work is to be able to couple them as black-boxes. To that end, the scientific software component framework CTL is considered. Therefore a fluid and a structure component based on existing software are developed and coupled with a master code approach. Computational performance of different remote calls and parallel implementation of components are also depicted herein. The re-use of existing software allows to couple advanced models developed for both sub-problems. In this work, the structure part is solved by the Finite Element Method, with the possibility to use different non-linear and large deformation behaviors. For the fluid part, examples modeled with an arbitrary Lagrangian Eulerian formulation are considered, solved with a finite volume method. The models used are first transient incompressible flows described by the Navier-Stokes equation, then free surface flows. With the latter, the impact of sloshing and breaking waves on model structures can be computed / In dieser Doktorarbeit wird ein partiotionierter Ansatz zur Lösung nichlinearer stark gekoppelter Fluid-Struktur-Interaktionsprobleme behandelt. Dabei werden die Stabilität, die Konvergenz und die Performanz expliziter und impliziter Kopplungsalgorithmen untersucht. Der partitionierte Ansatz ermöglicht die Wiederverwendung von existierender Software in einem allgemeineren Kontext. Ein Ziel dieser Arbeit ist hierbei die Nutzung dieser Software als Blackboxen. Hierzu verwenden wir das komponentenbasierte Framework CTL. Die existierenden Simulationscodes für das Strömungs- und das Strukturproblem werden als CTL Komponenten umgesetzt und über einen Mastercode gekoppelt. Die Performanz des Gesamtsystems wird hinsichtlich unterschiedlicher Komponentenbindungen und der parallelen Implementierungen der Simulationskomponenten analysiert. Existierende Simulationscodes weisen mitunter viele Mannjahre Entwicklungszeit auf, bieten auf die einzelnen Probleme abgestimmte numerische Verfahren und unterstützen unterschiedliche Modelle des betrachteten physikalischen Fachgebietes. Daher ist eine Wiederverwendung erstrebenswert. Der Strukturteil wird über die Finite Elemente Methode approximiert, wobei groé Deformationen und verschiedene nicht-lineare Materialmodelle unterstützt werden. Auf der Strömungsseite werden Beispielprobleme (von instationären inkompressiblen Strömungen zu Strömungen mit freier Oberäche) herangezogen, die mit der Arbitrary Lagrangian Eulerian Methode formuliert und der Finite Volumen Methode diskretisiert werden