L'objectif de cette thèse est de développer un nouveau schéma numérique du type volumes finis pour la dynamique des gaz. Dans deux articles, F.Berthelin, T.Goudon et S.Minjeaud proposent de résoudre le système des équations d'Euler barotrope en dimension 1 d'espace, avec un schéma d'ordre 1 fonctionnant sur grilles décalées et dont la conception des flux est inspirée des schémas cinétiques. Nous proposons d'enrichir ce schéma afin qu'il puisse résoudre le système des équations d'Euler barotrope ou complet, en dimension 2 d'espace sur maillage cartésien ou non structuré, possiblement à l'ordre 2 et le cas échéant à bas nombres de Mach. Nous commencerons par développer une version 2D du schéma sur grilles cartésiennes (ou MAC) à l’ordre 2 via une méthode de type MUSCL, d'abord pour les équations barotropes puis pour les équations complètes. Ces dernières demandent de traiter une équation d’énergie supplémentaire et l’un des problèmes -résolu- est de trouver une définition discrète convenable de l’énergie totale telle qu'elle satisfasse une équation conservative locale. Dans un troisième chapitre nous étudierons le passage à la limite du compressible vers l'incompressible et nous verrons comment utiliser les atouts de notre schéma afin de le modifier et d'en faire un schéma Asymptotic Preserving pour des écoulements à bas nombres de Mach. Dans un quatrième temps nous proposerons une adaptation du schéma sur des maillages non structurés. Notre approche sera fortement inspirée des méthodes DDFV et pourra présenter des avantages dans les régimes à faibles nombres de Mach. Cette thèse se termine par un cinquième chapitre issu d’une collaboration lors du CEMRACS 2017, où le point de vue considéré n’est plus macroscopique mais microscopique. Nous commencerons par étudier un modèle micro/macro idéalisé auquel un processus stochastique a été ajouté puis nous tenterons d'en déduire un modèle à grande échelle pour un système fortement couplé, qui soit consistant avec la description micro/macro sous-jacente du problème physique. / The objective of this thesis is to develop a new numerical scheme of finite volume type for gas dynamics. In two articles, F.Berthelin, T.Goudon and S.Minjeaud propose to solve the barotropic Euler system in dimension 1 of space, with a first order scheme that works on staggered grids and of which fluxes are inspired by kinetic schemes. We propose to enhance this scheme so that it can solve the barotropic or complete Euler systems, in dimension 2 of space on Cartesian or unstructured grids, possibly at order 2 and at Low Mach numbers where appropriate. We begin with the development of a 2D version of the scheme on Cartesian (or MAC) grids, at order 2 via a MUSCL type method, for the barotropic equations at first and then for the complete equations. The latter require to handle with an additional energy equation and one of the -solved- problems is to find a suitable discrete definition of the total energy such that it satisfies a local conservative equation. In a third chapter we study the transition from the compressible case to the incompressible limit and we shall see how to use the advantages of our initial scheme in order to make it an Asymptotic Preserving scheme at low Mach numbers. In a fourth chapter we propose an adaptation of the scheme on unstructured meshes. Our approach is strongly inspired by the DDFV methods and may have advantages in low-Mach regimes.This thesis ends with a fifth chapter issued from a collaboration during CEMRACS 2017, where the considered point of view is no longer macroscopic but microscopic. We begin by studying a simplified micro/macro model with an added stochastic process and then we attempt to deduce a large-scale model for a strongly coupled system which has to be consistent with the underlying micro / macro description of the physical problem.

Cette thèse traite de la résolution du système de la Magnéto-Hydro-Dynamique (MHD) sur architectures massivement parallèles. Ce système est un système hyperbolique de lois de conservation. Pour des raisons de coût en termes de temps et d'espace, nous utilisons la méthode des volumes finis. Ces critères sont particulièrement importants dans le cas de la MHD, car les solutions obtenues peuvent présenter de nombreuses ondes de choc et être très turbulentes. L'approche d'un phénomène physique nécessite par conséquent de travailler sur un maillage fin entrainant une grande quantité de calcul. Afin de réduire les temps d'exécution des algorithmes proposés, nous proposons des méthodes d'optimisations pour l'exécution sur CPU telles que l'utilisation d'OpenMP pour une parallélisation automatique ou le parcours optimisé afin de bénéficier des effets de cache. Une implémentation sur architecture GPU à l'aide de la librairie OpenCL est également proposée. Dans le but de conserver une coalescence maximale des données en mémoire, nous proposons une méthode utilisant un splitting directionnel associé à une méthode de transposition optimisée pour les implémentations parallèle. Dans la dernière partie, nous présentons la librairie SCHNAPS. Ce solveur utilisant la méthode Galerkin Discontinu (GD) utilise des implémentations OpenCL et StarPU afin de profiter au maximum des avantages de la programmation hybride. / This thesis deals with the resolution of the Magneto-Hydro-Dynamic (MHD) system on massively parallel architectures. This problem is an hyperbolic system of conservation laws. For cost reasons in terms of time and space, we use the finite volume method. These criteria are particularly important in the case of MHD because the solutions obtained may have many shock waves and be very turbulent. The approach of a physical phenomenon requires working on a fine mesh which involves a large quantity of computations. In order to reduce the execution time of the proposed algorithms, we present several optimization methods for CPU execution such as the use of OpenMP for an automatic parallelization or an optimized way to browse a grid in order to benefit from cache effects. An implementation on GPU architecture using the OpenCL library is also available. To maintain a maximal coalescence of the data in memory, we propose a method using a directional splitting associated with an optimized transposition method for parallel implementations. In the last part, we present the SCHNAPS library. This solver using the Galerkin Disontinu (GD) method uses OpenCL and StarPU implementations in order to maximize the benefits of hybrid programming.

Dans le cadre du stockage de Gaz Naturel Liquéfié (GNL) dans des réservoirs flottants, tels que les méthaniers, les contraintes imposées à la cuve par le ballotement de la cargaison doivent être quantifiées. La plupart des études expérimentales ou numériques actuelles ne prennent pas en compte la possibilité de changement de phase entre le GNL et sa vapeur lors d'un impact du liquide sur la paroi. L'objectif de cette thèse est l'ajout de ce phénomène physique dans un code de mécanique des fluides numérique pour la simulation de l'impact d'une vague déferlante sur une paroi.Dans ce but, un état de l'art des différentes modélisations possibles du changement de phase en mécanique des fluides est présenté. Il a été choisi de modéliser le changement de phase entre le liquide et le gaz à une interface franche sans hypothèse d'équilibre thermodynamique à l'interface. Un système hyperbolique de lois de conservation incluant le changement de phase interfacial hors-équilibre est présenté.Deux approches sont utilisées pour la résolution numérique de ce système. La première utilise un modèle de mélange pour décrire les mailles contenant l'interface liquide-vapeur. Dans la seconde méthode, l'interface est reconstruite et évolue de manière lagrangienne. Les deux approches sont basées sur un schéma volume fini de type Roe.L'enjeu de la simulation numérique du changement de phase interfacial est la capacité du code à gérer un rapport de densité loin de 1 et une chaleur latente élevée, qui entrainent respectivement de fortes variations de pression et de température à l'interface. L'aspect thermique est le phénomène limitant dans le cadre de la simulation d'impacts de vagues avec changement de phase. Seule une fine couche limite thermique autour de l'interface tend à revenir à l'équilibre thermodynamique liquide vapeur, ce qui limite l'effet quantitatif du changement de phase. / In the context of Liquefied Natural Gas (LNG) transportation in floating tanks, such as in LNG carriers, the constraints imposed by the sloshing of the liquid cargo on the tank have to be estimated. Most experimental and numerical studies until now do not take into account the possibility of phase change between the LNG and its vapor during the impact of liquid on the wall. The goal of this thesis is to include this physical phenomenon into a CFD code for the simulation of a breaking wave impact on a wall.A state of the art of the different modelisations of phase change in fluid mechanics is thus presented. This work focus on the modeling of phase change between the liquid and the gas at a sharp interface, without any equilibrium hypothesis. An hyperbolic system of balance laws including non-equilibrium interfacial phase change is presented.Two approaches are used to solve numerically this system. The first one relies on a mixture model for the description of the finite volume cells containing the interface, whereas in the second approach the interface is reconstructed and evolves in a lagrangian way. Both methods are based on a Roe-type finite volume scheme.The challenge of the numerical simulation of interfacial phase change is the capacity of the code to deal with density ratio far from 1 and high latent heat, as the lead to high temperature and pressure variations at the interface. The thermal aspect is the limiting phenomenon in the frame of wave impact simulation with phase change. Only a thin boundary layer around the interface tends to return to thermodynamical equilibrium, thus limiting the quantitative effect of phase change.

Les transferts de chaleur par convection forcée turbulente dans une conduite plane partiellement remplie par un milieu poreux sont étudiés numériquement. L’étude concerne l’analyse de l’encrassement dans un canal plan représentatif d’un échangeur de chaleur à plaques. Un fluide, ayant un fort pouvoir encrassant, est considéré en régime turbulent. L’objectif de cette étude est de proposer une technique qui repose sur l’utilisation de matériaux fibreux comme capteur de particules pouvant réduire les méfaits de l’encrassement. Cela consiste à essayer de réduire la résistance d’encrassement en agissant sur les propriétés thermiques du dépôt. L’étude de la cinétique de l’encrassement permet de déterminer la loi de variation de l’épaisseur du dépôt au cours du temps. Cette équation est couplée aux équations de conservation. Un modèle de conductivité thermique effective (fluide, dépôt, fibres poreuses) a été choisi et le phénomène de colmatage de la matrice poreuse est considéré. L’apport du milieu poreux sur les performances de l’échangeur est analysé / A numerical study is carried out to investigate the forced convection heat transfer induced by a turbulent flow in a parallel plate channel partly filled with a porous or fibrous material. The study involves the analysis of fouling in a plate heat exchanger, represented by a parallel plate channel with a high fouling potential liquid flow in turbulent regime. The objective is to come out with a technical solution that relies on the use of fibrous materials capability to capture deposited particles, and therefore to reduce the fouling impacts within heat exchangers. This solution focuses on reducing the fouling resistance on wall surfaces by modifying the thermal properties of the deposit. The deposit thickness evolution is obtained through a kinetics model of fouling, which is coupled to the conservation equations. An effective thermal conduction model (liquid, deposit, porous material) is selected in order to account for fouling within the porous matrix. The benefits of porous material on heat exchanger performance are analyzed

Cette thèse est une contribution à la résolution numérique d'une loi de conservation hyperbolique résultante d'un couplage entre les équations de Saint-Venant, associée à la modélisation des écoulements en eaux peu profondes, et l'équation de transport-diffusion d'un polluant non actif. Le modèle mathématique utilisé est bi-dimensionnel, intégrant des termes de friction, de diffusion, des tensions de surface et un terme tenant compte la variation de la bathymétrie. Nous présentons un modèle numérique basé sur un schéma volumes finis bidimensionnel d'ordres deux, conservatif et consistant, sur un maillage non structuré adaptatif. Ce modèle préserve la positivité de la hauteur d'eau et l'état stationnaire associé au lac au repos, il permet de capturer avec précision les ondes de chocs. Dans le temps une extension à l'ordre deux est garantie en utilisant un schéma de Runge-Kutta ce qui permettra de prendre en compte les différentes vitesses de propagation de l'information présentes dans les différents problèmes traités. Nous appliquons le modèle numérique développé sur plusieurs problèmes. Entre autre, la simulation d'une propagation d'une onde de crue, écoulement autour d'une singularité géométrique, écoulement sur des fonds variables et présentant des fronts raides. Et en fin, L'étude numérique s'achève par une application du modèle pour la simulation du transport de polluant dans une géométrie réelle avec une bathymétrie fortement variable telle que présente la baie de Tanger.

Cette thèse porte sur l'étude de modèles et de méthodes numériques pour les écoulements diphasiques compressibles à faible nombre de Mach. Toutes les méthodes numériques développées dans cette étude sont basées sur une formulation de type volumes finis en maillages non structurés. La première partie de cette thèse propose une analyse du comportement des schémas décentrés de type Godunov dans la limite des faibles nombres de Mach. Nous expliquons de manière rigoureuse les raisons pour lesquelles ces schémas aboutissent à des approximations imprécises lorsque les écoulements sont très proches de l'incompressible. Nous développons alors des méthodes de préconditionnement adaptées qui permettent de retrouver de bonnes approximations. Ce premier travail complète un certain nombre de travaux récents sur l'analyse des schémas décentrés dans la limite des faibles nombres de Mach. Le deuxième point abordé dans cette thèse est un travail de modélisation où nous développons à partir d'un modèle bi-fluides à sept équations de type Baer-Nunziato, un modèle réduit à cinq équations pour les écoulements diphasiques. Ce travail présente une méthode originale de réduction de systèmes hyperboliques avec termes sources raides. Nous développons pour ce modèle un schéma numérique implicite et suivant la stratégie utilisée dans la première partie de cette thèse, une technique de préconditionnement adaptée aux écoulements à faible vitesse. Les expériences numériques réalisées montrent que ce modèle est bien adapté au calcul d'ondes de détonations ainsi qu'à la simulation d'interfaces entre fluides compressibles. Enfin la dernière partie de cette thèse porte sur l'étude d'un modèle à sept équations pour le calcul d'écoulements diphasiques à faible nombre de Mach. On développe des méthodes numériques implicites basées sur des solveurs de Riemann approchés, permettant de réduire les coûts de calcul pour ce type de régime.

La presente recherche doctorale en analyse numerique (et calcul scientifique) aborde le probleme du controle de la dissipation d'entropie numerique associee a une discretisation donnee. Cette problematique constitue un veritable challenge numerique non encore completement resolu a ce jour.<br /><br />Le travail se decompose en deux parties principales dont les caracteristiques sont reellement differentes.<br /><br />La premiere partie concerne l'approximation numerique des solutions (instationnaires en 1D et stationnaires en 2D) du systeme des equations de Navier-Stokes a plusieurs pressions independantes. Ce systeme est hyperbolique et possede des champs vraiment non lineaires sous des hypotheses classiques, mais s'ecrit naturellement sous forme non conservative.<br /><br />La deuxieme partie est dediee a l'approximation numerique des solutions instationnaires en 1D de quelques systemes de lois de conservation de type soit hyperbolique mais dont les champs possedent un defaut de vraiment non linearite, ou soit mixte hyperbolique-elliptique.<br /><br />Dans toutes ces situations motivees par des applications physiques concretes, le controle de la dissipation d'entropie joue un role déterminant dans la caracterisation des solutions recherchees. Les schemas numeriques proposes dans ce manuscrit sont obtenus par une analyse fine des bilans d'entropie associes.

Ce travail de thèse porte sur l'extension et l'analyse d'un solveur volumes finis eulérien, co-localisé avec capture d'interfaces pour la simulation des écoulements multi-matériaux non miscibles. Les extensions proposées s'inscrivent dans la volonté d'élaborer un outil de simulation multi-physiques. Dans le cadre de ce mémoire, le caractère multi-physiques recouvre les champs que nous allons détailler. Nous traitons le cas des écoulements radiatifs modélisés par un système à deux températures qui couple les phénomènes purement hydrodynamiques aux phénomènes radiatifs. Nous proposons un solveur permettant la prise en compte des effets de tension superficielle à l'interface entre deux fluides. Nous développons un solveur implicite permettant la simulation précise d'écoulements faisant intervenir de faibles nombres de Mach par le biais d'une méthode de renormalisation de la diffusion numérique. Enfin, les effets tri-dimensionnels sont considérés ainsi que la possibilité d'étendre le schéma de base aux écoulements à un nombre quelconque de matériaux. A chaque étape, les solveurs développés sont validés sur des cas-tests. / This work is devoted to the extension of a eulerian cell-centered finite volume scheme with interfaces capturing for the simulation of multimaterial fluid flows. Our purpose is to develop a simulation tool which could be able to handle multi-physics problems in the following sense. We address the case of radiating flows, modeled by a two temperature system of equations where the hydrodynamics are coupled to radiation transport. We address a numerical scheme for taking surface tension forces into account. An implicit scheme is proposed to handle low Mach number fluid flows by means of a renormalization of the numerical diffusion. Eventually, the scheme is extended to three-dimensional flows and to multimaterial flows, that is with an arbitrary number of materials. At each step, numerical simulations validate our schemes.

Le but de ce mémoire de recherche est d'étudier les convections naturelle et mixte d'écoulements fluides, et de développer et valider des méthodes numériques pour le suivi d'interfaces afin de traiter plus tard des écoulements incompressibles de fluides immiscibles. Dans une première étape, une méthode numérique originale, basée sur des discrétisations Volumes Finis, est développée pour modéliser les écoulements à faible nombre de Mach et grands écarts de température. Trois applications physiques, portant sur l'écoulement d'air à travers des plaques verticales parallèles chauffées, sont étudiées. Nous avons montré que l'espacement optimal, correspondant au pic de flux de chaleur transféré d'un réseau de plaques parallèles isothermes refroidies par convection mixte, est plus faible que ceux obtenus en convections naturelle ou forcée lorsque la chute de pression à la sortie est constante. Nous avons également prouvé que les écoulements de convection mixte à débit imposé peuvent présenter des solutions physiques inattendues ; un modèle alternatif basé sur une pression totale imposée à l'entrée et une pression fixée à la sortie donne de meilleurs résultats. Pour des canaux soumis un flux de chaleur sur une paroi seule, le rayonnement de surface tend à supprimer l'apparition des recirculations à la sortie et à uniformiser les températures des parois. Dans une seconde étape, le modèle mathématique couplant les équations de Navier-Stokes incompressibles et la méthode Level-Set pour le suivi d'interfaces est développé. Des améliorations de la conservation du volume fluide par l'utilisation de schémas de discrétisation d'ordres élevés (ENO-WENO) pour l'équation de transport et des variantes de l'équation de la distance signée sont discutées / The aim of this research dissertation is at studying natural and mixed convections of fluid flows, and to develop and validate numerical schemes for interface tracking in order to treat incompressible and immiscible fluid flows, later. In a first step, an original numerical method, based on Finite Volume discretizations, is developed for modeling low Mach number flows with large temperature gaps. Three physical applications on air flowing through vertical heated parallel plates were investigated. We showed that the optimum spacing corresponding to the peak heat flux transferred from an array of isothermal parallel plates cooled by mixed convection is smaller than those for natural or forced convections when the pressure drop at the outlet keeps constant. We also proved that mixed convection flows resulting from an imposed flow rate may exhibit unexpected physical solutions; alternative model based on prescribed total pressure at inlet and fixed pressure at outlet sections gives more realistic results. For channels heated by heat flux on one wall only, surface radiation tends to suppress the onset of recirculations at the outlet and to unify the walls temperature. In a second step, the mathematical model coupling the incompressible Navier-Stokes equations and the Level-Set method for interface tracking is derived. Improvements in fluid volume conservation by using high order discretization (ENO-WENO) schemes for the transport equation and variants of the signed distance equation are discussed

Les méthodes hybrides Moments/PDF sont bien adaptées pour la description des écoulements diphasiques turbulents, polydispersés, hors équilibre thermodynamique. Ces méthodes permettent d'avoir une description assez fine de la polydispersion, de la convection et des termes sources non-linéaires. Cependant, les approximations issues de telles simulations sont bruitées ce qui, dans certaines situations, occasionne un biais. L'approche alternative étudiée dans ce travail consiste à coupler une description Eulerienne des moments avec une description stochastique Lagrangienne à l'intérieur de la phase dispersée, permettant de réduire l'erreur statistique et d'éliminer le biais. La mise en oeuvre de cette méthode nécessite le développement de schémas numériques robustes. Les approches proposées sont basées sur l'utilisation simultanée des techniques de relaxation et de décentrement, et permettent d'obtenir des approximations stables des solutions instationnaires du système d'équations aux dérivées partielles, avec des données peu régulières provenant du couplage avec le modèle stochastique. Une comparaison des résultats de la méthode hybride Moments-Moments/PDF avec ceux issus de la méthode hybride "classique'' est présentée en termes d'analyse des erreurs numériques sur un cas de jet co-courant gaz-particules. / Hybrid Moments/PDF methods have shown to be well suitable for the description of polydispersed turbulent two-phase flows in non-equilibrium which are encountered in some industrial situations involving chemical reactions, combustion or sprays. hey allow to obtain a fine enough physical description of the polydispersity, non-linear source terms and convection phenomena. However, their approximations are noised with the statistical error, which in several situations may be a source of a bias. An alternative hybrid Moments-Moments/PDF approach examined in this work consists in coupling the Moments and the PDF descriptions, within the description of the dispersed phase itself. This hybrid method could reduce the statistical error and remove the bias. However, such a coupling is not straightforward in practice and requires the development of accurate and stable numerical schemes. The approaches introduced in this work rely on the combined use of the upwinding and relaxation-type techniques. They allow to obtain stable unsteady approximations for a system of partial differential equations containing non-smooth external data which are provided by the PDF part of the model. A comparison of the results obtained using the present method with those of the ``classical'' hybrid approach is presented in terms of the numerical errors for a case of a co-current gas-particle wall jet.