Nesta tese é apresentado um esquema novo de alta resolução upwind (denominado TDPUS-C3) para reconstrução de fluxos numéricos para leis de conservação não lineares e problemas relacionados em DFC. O esquema é baseado nos critérios de estabilidade CBC e TVD e desenvolvido utilizando condições de diferenciabilidade \'C POT. 3\'. Além disso, é realiozada a implementação da associação do esquema TDPLUS-C3 com a modelagem de turbulência RNG \'\\kappa - \\epsilon\'. O propósito é obter soluções numéricas de sistemas hiperbólicos de leis de conservação para dinâmica dos gases e equações de Navier-Stokes para escoamento incompreensível de fluidos newtonianos e não newtonianos (viscoelásticos). Fazendo o uso do esquema TDPUS-C3, a precisão global dos métodos numéricos é verificada acessando o erro em problemas teste (benchmark) 1D e 2D. Um estudo comparativo entre os resultados do esquema TDPUS-C3 e os esquemas upwind convencionais para leis de conservação hiperbólicas complexas é também realizado. A Associação das modelagens numéricas (upwinding mais RNG \'\\kappa - \\epsilon\') é , então, examinada na simulação de escoamentos turbulentos de fluidos newtonianos envolvendo superfícies livres móveis, usando a metodologia URANS. No geral, em termos do comportamento global, concordância satisfatória é observada / In this thesis, a new high-resolution upwind scheme (named TDPUS-C3) for reconstruction of numerical fluxes for nonlinear conservation laws and related CFD problems in presented. The scheme is based on CBC and TVD stability criteria and developed by employing differentiability condictions (\'C POT. 3\'). In additon, the implementation of an association of the TDPUS-C3 scheme with the RNG \'\\kappa - \\epsilon\' turbulence modelling is also performed. The purpose is to obtain numerical solutions of systems of hyperbolic conservation laws for gas dynamics and Navier-Stokes equations for incompressible flow of Newtonian and non-Newtonian (viscoelstic) fluids. By using the TDPUS-C3 scheme, the global accuracy of the numerical methods is verified by assessing the error on 1D and 2D benchmark test cases. A comparative study between the TDPUS-C3 scheme and convectional upwind schemes to solve standard and complex hyperbolic conservation laws is also accomplished. The association of the numerical modelling (upwinding plus RNG \'\\kappa - epsilon\') is then examined in the simulation of turbulent Newtonian fluid flows involving moving free surfaces, by using URANS methodology. Overall, satisfactory agreement is found in terms of the overall behaviour

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Cette thèse a pour but l'étude de la mise en œuvre de commandes par asservissement visuel pour le contrôle actif d'un écoulement de Poiseuille. D'un point de vue général, le contrôle d'écoulements vise à modifier ou à maintenir l'état de l'écoulement, malgré une éventuelle perturbation extérieure. Une des situations d'intérêt concerne par exemple la transition vers la turbulence où l'écoulement peut devenir turbulent avec la croissance de sa densité d'énergie cinétique. La réduction de la traînée est également une application potentielle dans des problèmes d'ingénierie. Un des buts applicatifs de cette thèse cherchera ainsi à minimiser à la fois la densité d'énergie cinétique et la traînée. Des modèles numériques peuvent être utilisés pour générer un modèle d'état des équations aux dérivées partielles d'un écoulement de Poiseuille. Le modèle d'état considéré dans cette thèse s'appuie sur une représentation spectrale afin de transformer les équations aux dérivées partielles originelles en un système d'équations différentielles ordinaires. Le vecteur d'état rassemble dans notre cas la vitesse et la vorticité. Les signaux de commande dépendent eux de conditions aux limites de type Dirichlet non homogènes qui correspondent à des actions de soufflage/aspiration. Le nombre de degrés de liberté commandé du problème correspond à la dimension du signal de commande. La densité d'énergie cinétique et la traînée sont modélisées en fonction du vecteur d'état et du signal de commande. Dans cette thèse nous avons plus particulièrement considéré un asservissement visuel partitionné. Celui-ci est appliqué au modèle d'état de l'écoulement avec deux degrés de liberté afin de minimiser simultanément la densité d'énergie cinétique et la traînée. La traînée, contrairement à l'énergie cinétique, diminue de façon monotone en fonction du temps. Une augmentation du nombre de degrés de liberté permet d'améliorer la décroissance de la densité d'énergie cinétique. Lorsque le nombre de degré de liberté correspond à la dimension du vecteur d'état, et en s'appuyant sur une commande par asservissement visuel, nous montrons que la densité d'énergie cinétique décroit de façon monotone au cours du temps. Le modèle d'état de l'écoulement de Poiseuille vit dans un espace de très grande dimension. Par conséquent, il est nécessaire d'un point de vue pratique de réduire la dimension du contrôleur. Nous démontrons que la loi de commande s'appuyant sur un modèle réduit peut être appliquée au système complet. Dans ce cas la densité d'énergie cinétique décroit presque de façon monotone au cours du temps en utilisant une commande par asservissement visuel à deux degrés de liberté. / The visual servoing control approach is formulated for the flow control of the plane Poiseuille flow. Generally, the flow control can lead the flow from its current state to a desired state. In transition to turbulence, the growth of kinetic energy density can lead the flow to turbulence. Moreover, the drag reduction is a potential application in the engineering applications. Therefore, this thesis aims to minimize the kinetic energy density and the skin friction drag. The governing equations of the plane Poiseuille flow are modeled to a standard form in the automatic control. More precisely, the partial differential equations of the plane Poiseuille flow are transformed to a state space representation by using the spectral method. The streamwise and spanwise directions are discretized based on the Fourier series while the wall-normal direction is discretized based on the Chebyshev polynomials. The state vector involves the wall-normal velocity and vorticity. The control signals depend on the inhomogeneous Dirichlet boundary conditions which correspond to blowing/suction boundary control. The number of independent control signals is called the number of the degree of freedom. Moreover, the skin-friction drag and the kinetic energy density are modeled as a function of the state vector. The goal is to minimize both the skin-friction drag and the kinetic energy density by appropriate methods. The partitioned visual servoing control is used to minimize, simultaneously, the skin-friction drag and the kinetic energy density with two degrees of freedom. As a result, the behavior of the skin-friction drag monotonically decreases in time. However, the behavior of the kinetic energy density does not monotonically decrease in time, the similar results from the other methods such as: PID and LQR controls. Therefore, the number of the degree of freedom increases, which leads to the improvement of the kinetic energy density. In addition, when the number of the degree of freedom equals the number of state vector, the kinetic energy density monotonically decreases in time by using the visual servoing control. The dimension of linearized plane Poiseuille flow is large, therefore, we need to reduce the order of controller. We demonstrate that the control law based on a mode reduction can be applied for the full system. Moreover, the kinetic energy density almost will monotonically decreases in time even using two degrees of freedom when the visual servoing control is designed based on the model order reduction.

Tato diplomová práce prezentuje metodu spektrálních prvků. Tato metoda je použita k řešení stacionárního 2-D laminárního proudění Newtonovské nestlačitelné tekutiny. Proudění je popsáno stacionarní Navier-Stokesovou rovnicí. Dohromady s okrajovou pod- mínkou tvoří Navier-Stokesův problém. Na slabou formulaci této úlohy je aplikována metoda spektrálních prvků. Touto discretizací se získá soustava nelineárních rovnic. K obrdžení lineární soustavy je použita Newtonova iterační metoda. Podorobný algorit- mus tvoří jádro Navier-Stokeseva solveru, který je naprogramován v Matlabu. Na závěr jsou pomocí tohoto solveru řešeny dva příklady: proudění v kavitě a obtékání válce. Přík- lady jsou řešeny pro různé Reynoldsovy čísla. První od 1 do 1000 a druhý od 1 do 100.

The present work deals with the extension of Acoustic Flux Vector Splitting (AFVS) scheme for the Compressible Viscous flow computations. Accurate viscous flow computations require much finer grids with adequate clustering of grid points in certain regions. Viscous flow computations are performed on unstructured triangulated grids. Solving Navier-Stokes equations involves the inviscid Euler part and the viscous part. The inviscid part of the fluxes are computed using the Acoustic Flux Vector Splitting scheme and the viscous part which is diffusive in nature does not require upwinding and is taken care using a central difference type of scheme. For these computations both the cell centered and the cell vertex finite volume methods are used. Higher order accuracy on unstructured meshes is achieved using the reconstruction procedure. Test cases are chosen in such a way that the performance of the scheme can be evaluated for different range of mach numbers. We demonstrate that higher order AFVS scheme in conjunction with a suitable grid adaptation strategy produce results that compare well with other well known schemes and the experimental data. An assessment of the relative performance of the AFVS scheme with the Roe scheme is also presented.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von partikelbasierenden Strömungs- und Transportmodellen zur Charakterisierung von kleinskaligen Strömungsprozessen in gesättigten und ungesättigten Poren- und Kluftsystemen. Aufgrund der unzureichenden Prozessbeschreibung von ungesättigter Strömung in Doppelkontinuummodellen mittels der Richardsgleichung und van Genuchten Parametern werden innovative Methoden präsentiert um die zugrunde liegenden hochdynamischen Strömungs- und Transportprozesse zu erfassen. Die Simulation von Strömung und Transport in ungesättigten geklüfteten Aquiferen bildet immer noch ein höchst anspruchsvolles Aufgabenfeld aufgrund von skalenübergreifenden Diskontinuitäten, welche oftmals die Definition eines globalen repräsentativen Einheitsvolumens nicht zulassen. Des Weiteren können die hydraulischen Eigenschaften und potentiellen Parameterräume von geklüfteten Aquiferen oftmals nur durch integrale Ansätze, wie z.B. Pump- und Slugtests, Zeitreihenanalysen von Quellschüttungen und Tracertests ermittelt werden. Doppelkontinuummodelle bieten hierfür einen ausgewogenen Ansatz hinsichtlich der erforderlichen Felddaten und der resultierenden prädiktiven Modellqualität. Der erste Teil dieser Arbeit evaluiert den Doppelkontinuumansatz, welcher die Simulation von Strömung mittels der Richardsgleichung und van Genuchten Parametern in zwei, durch einen linearen Austauschterm gekoppelten, Kontinua ermöglicht. Ganglinien von Karstquellen weisen eine charakteristischen steilen Abfall nach Niederschlagsereignissen auf, der durch das Modell erfolgreich reproduziert werden kann. Das Röhrensystem bildet die hydraulische Brücke zur Karstquelle und nimmt potentialabhängige Wassermengen des geklüfteten Matrixsystems auf. Um die Simulation von schneller Grundwasserinfiltration durch das Röhrenkontinuum innerhalb der ungesättigten Zone zu vermeiden wurde die entsprechende Randbedingung an die untere Grenze des Kontinuums gesetzt. Ein genereller Nachteil des Doppelkontinuumsansatz ist die potentielle Mehrdeutigkeit von Modellergebnissen. Der duale Parameterraum in Kombination mit schwierig zu ermittelnden Parametern, führt zur Existenz von mehr als einem kalibrierten Modell, wie durch mehrdimensionale Sensitivitätsanalysen aufgezeigt wird.  Insbesondere in Karstaquiferen bilden Diskontinuitäten, wie z.B. Lösungsdolinen, Klüfte und Störungssysteme, bevorzugte hydraulische Elemente für schnelle vertikale Grundwasserneubildungsprozesse, die oftmals nicht durch volumeneffektive Modellansätze erfasst werden können. Der Hauptteil dieser Arbeit befasst sich daher mit der Entwicklung von zwei Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Modellen um ein adäquates numerisches Werkzeug zur partikelbasierenden Simulation von kleinskaligen Strömungen mit freien Oberflächen und Transportprozessen bereitzustellen. SPH Modelle ermöglichen eine Eulersche Beschreibung eines Strömungsfelds auf Basis der Navier-Stokes Gleichung und Partikelbewegung mittels klassischer Newtonscher Mechanik. Der gitterlose Modellansatz ermöglicht flexible Simulationen von hochdynamischen Phasengrenzen in ungesättigten Klüften und Porenräumen. Das erste SPH Modell wird eingesetzt um durch Oberflächenspannung dominierte Tropfen- und Filmströmungen auf glatten und rauhen Kluftoberflächen zu simulieren. Charakteristische dimensionslose Kennzahlen werden über einen weiten Bereich von Benetzungswinkeln und Reynoldszahlen bestimmt. Modellergebnisse weisen einen hervorragende Übereinstimmung mit dimensionslosen Skalierungsfunktionen auf und kritische Kontaktwinkel folgen der zu erwartenden Entnetzungsdynamik. Die Entstehung von adsorbierten Filmen auf trockenen Oberflächen wird für einen breiten Parameterraum bestimmt. Des Weiteren wird der Einfluss von befeuchteten Oberflächen auf die Geschwindigkeitszunahme von Tropfenströmung aufgezeigt und so die Bedeutung der Koexistenz verschiedener Strömungsmodi gezeigt. Der Effekt von Oberflächenrauhigkeit auf Tropfenströmung wird für verschiedene Rauhigkeiten ermittelt und eine deutliche Geschwindigkeitsabnahme demonstriert. Um die makroskopische Kontinuumsbeschreibung der Navier-Stokes Gleichung und atomistische Effekte eines klassischen Partikelsystems der statistischen Mechanik zu kombinieren wurde ein zweites mesoskopisches SPH Modell entwickelt. Diese neue Diskretisation der vollständig gekoppelten Landau-Lifshitz-Navier-Stokes und Advektions- Diffusionsgleichung ermöglicht die Simulation von Strömung und Transport bei gleichzeitiger Berücksichtigung von Fluktuationsdynamiken, welche sich korrekt der Systemskala anpassen. Die Verbindung von klassischer Fickscher Diffusion und thermodynamischen Fluktuationen wird hierbei durch einen effektiven Diffusionskoeffizienten beschrieben. Numerische Experimente zeigen die Präzision des Modells. Grenzflächen zwischen zwei Fluiden unterschiedlicher Konzentration weisen eine korrekte Wellenzahldivergenz entsprechend aktuellen Laborergebnissen auf.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Rühr- und Mischungsvorgänge in Flüssigmetallströmungen zu untersuchen, die mittels rotierender und wandernder Magnetfelder bzw. deren Kombination induziert werden. Im Mittelpunkt steht dabei die Charakterisierung der dreidimensionalen Strömungsstrukturen innerhalb zylindrischer Geometrien bei der Verwendung überkritischer Magnetfelder. Neben der Untersuchung der Strömungseigenschaften stellen die physikalische Modellierung der angreifenden Kräfte, die geeignete Wahl und Validierung eines effizienten numerischen Lösungsverfahrens und dessen Erweiterung für die Durchführung von Large Eddy Simulationen wesentliche Eckpfeiler dieser Arbeit dar.

<p>Fractional calculus is the integration and differentiation to an arbitrary or fractional order. The techniques of fractional calculus are not commonly taught in engineering curricula since physical laws are expressed in integer order notation. Dr. Richard Magin (2006) notes how engineers occasionally encounter dynamic systems in which the integer order methods do not properly model the physical characteristics and lead to numerous mathematical operations. In the following study, the application of fractional order calculus to approximate the angular position of the disk oscillating in a Newtonian fluid was experimentally validated. The proposed experimental study was conducted to model the nonlinear response of an oscillating system using fractional order calculus. The integer and fractional order mathematical models solved the differential equation of motion specific to the experiment. The experimental results were compared to the integer order and the fractional order analytical solutions. The fractional order mathematical model in this study approximated the nonlinear response of the designed system by using the Bagley and Torvik fractional derivative. The analytical results of the experiment indicate that either the integer or fractional order methods can be used to approximate the angular position of the disk oscillating in the homogeneous solution. The following research was in collaboration with Dr. Richard Mark French, Dr. Garcia Bravo, and Rajarshi Choudhuri, and the experimental design was derived from the previous experiments conducted in 2018.</p>

With the rapidly growing computational power of modern computers, physically based rendering has found its way into real world applications. Real-time simulations and renderings of fire and smoke had become one major research interest in modern video game industry, and will continue being one important research direction in computer graphics. To visually recreate realistic dynamic fire and smoke is a complicated problem. Furthermore, to solve the problem requires knowledge from various areas, ranged from computer graphics and image processing to computational physics and chemistry. Even though most of the areas are well-studied separately, when combined, new challenges will emerge. This thesis focuses on three aspects of the problem, dynamic, real-time and realism, to propose a solution in form of a GPGPU pipeline, along with its implementation. Three main areas with application in the problem are discussed in detail: fluid simulation, volumetric radiance estimation and volumetric rendering. The weights are laid upon the first two areas. The results are evaluated around the three aspects, with graphical demonstrations and performance measurements. Uniform grids are used with Finite Difference (FD) discretization scheme to simplify the computation. FD schemes are easy to implement in parallel, especially with ComputeShader, which is well supported in Unity engine. The whole implementation can easily be integrated into any real-world applications in Unity or other game engines that support DirectX 11 or higher.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Rühr- und Mischungsvorgänge in Flüssigmetallströmungen zu untersuchen, die mittels rotierender und wandernder Magnetfelder bzw. deren Kombination induziert werden. Im Mittelpunkt steht dabei die Charakterisierung der dreidimensionalen Strömungsstrukturen innerhalb zylindrischer Geometrien bei der Verwendung überkritischer Magnetfelder. Neben der Untersuchung der Strömungseigenschaften stellen die physikalische Modellierung der angreifenden Kräfte, die geeignete Wahl und Validierung eines effizienten numerischen Lösungsverfahrens und dessen Erweiterung für die Durchführung von Large Eddy Simulationen wesentliche Eckpfeiler dieser Arbeit dar.