La recherche en optimisation est un secteur crucial pour les constructeurs aéronautiques. La performance des appareils est un élément déterminant dans la compétition commerciale qui oppose les principaux manufacturiers du marché. L'incorporation de plus en plus massive des matériaux composites dans les avions de ligne dans les années 2000 illustre le désir des constructeurs de réduire la masse de leurs appareils pour en diminuer la consommation de kérozène. Parallèlement, la sécurité est devenue au fil des années une préoccupation majeure pour l'ensemble des acteurs. Cependant, l'emploi massif de matériaux composites, dont les propriétés physiques sont très intéressantes pour les constructeurs mais qui sont conçus avec une marge de tolérance pour des raisons de coût, induit des variations indésirables dans la structure, des incertitudes. Outre ces matériaux, d'autres éléments non prévisibles sont susceptibles de perturber la structure de l'appareil. Le modèle d'un avion en avant-projet est toujours amené à évoluer pour répondre aux évolutions des exigences du constructeur, mais des études de faisabilité doivent être menées avant que la structure ne soit totalement définie, afin de s'assurer de la viabilité du modèle. Des éléments non pris en compte dans la structure, comme les câbles, peuvent également avoir une influence non négligeable sur le comportement global de l'appareil. Ces incertitudes ont un impact non négligeable sur la stabilité de la structure en vol. Des études ont commencé à incorporer cet aspect incertain dans les processus d'optimisation, mais généralement en adaptant les algorithmes existants et sans exploiter la nature incertaine des problèmes. Afin de tenir compte de l'aspect incertain, on se propose de représenter ces incertitudes par des variables aléatoires et d'exploiter des outils théoriques développés dans d'autres domaines, notamment les outils des mathématiques financières.

In this doctoral work, we adress various problems arising when dealing with multi-physical simulations using a segregated (non-monolithic) approach. We concentrate on a few specific problems and focus on the solution of aeroelastic <p>flutter for linear elastic structures in compressible fl<p>ows, conjugate heat transfer for re-entry vehicles including thermo-chemical reactions and finally, industrial electro-chemical plating processes which often include<p>stiff source terms. These problems are often solved using specifically developed<p>solvers, but these cannot easily be reused for different purposes. We have therefore considered the development of a <p>flexible and reusable software platform for the simulation of multi-physics problems. We have based this<p>development on the COOLFluiD framework developed at the von Karman Institute in collaboration with a group of partner institutions.<p>For the solution of fl<p>uid fl<p>ow problems involving compressible <p>flows, we have used the Finite Volume method and we have focused on the application of the method to moving and deforming computational domains using the Arbitrary Lagrangian Eulerian formulation. Validation on a series of testcases (including turbulent flows) is shown. In parallel, novel time integration<p>methods have been derived from two popular time discretization methods.<p>They allow to reduce the computational effort needed for unsteady fl<p>ow computations.<p>Good numerical properties have been obtained for both methods.<p>For the computations on deforming domains, a series of mesh deformation techniques are described and compared. In particular, the effect of the stiffness definition is analyzed for the Solid material analogy technique. Using<p>the techniques developed, large movements can be obtained while preserving a good mesh quality. In order to account for very large movements for which mesh deformation techniques lead to badly behaved meshes, remeshing is also considered.<p>We also focus on the numerical discretization of a class of physical models that are often associated with <p>fluid fl<p>ows in coupled problems. For the elliptic problems considered here (elasticity, heat conduction and electrochemical<p>potential problems), the implementation of a Finite Element solver is presented. Standard techniques are described and applied for a variety of problems, both steady and unsteady.<p>Finally, we discuss the coupling of the <p>fluid flow solver with the finite element solver for a series of applications. We concentrate only on loosely and strongly coupled algorithms and the issues associated with their use and implementation. The treatment of non-conformal meshes at the interface between two coupled computational domains is discussed and the problem<p>of the conservation of global quantities is analyzed. The software development of a <p>flexible multi-physics framework is also detailed. Then, several coupling algorithms are described and assessed for testcases in aeroelasticity and conjugate heat transfer showing the integration of the <p>fluid and solid solvers within a multi-physics framework. A novel strongly coupled algorithm, based on a Jacobian-Free Newton-Krylov method is also presented and applied to stiff coupled electrochemical potential problems. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce mémoire présente le développement d'un modèle de couplage aéroélastique pour un petit véhicule de lancement spatial et ses résultats. Le mémoire est divisé en trois parties. La première présente d'abord les outils théoriques et numériques nécessaires pour développer un code d'interactions fluide-solide. Ces outils sont l'analyse modale, la mécanique des fluides numérique ainsi qu'un code de déformations imposées utilisant le langage UDF d'ANSYS Fluent qui est utilisé pour effectuer les analyses aéroélastiques. La seconde partie traite de l'analyse aéroélastique statique. La méthode est comparée avec d'autres méthodes de la littérature pour un cas de validation sur plaque plane flexible puis appliquée sur le lanceur. Il est montré que les déformations causées par la pression du fluide sur le solide sont petites pour le cas statique et ne posent donc pas de problème. La troisième partie concerne l'analyse aéroélastique dynamique. La méthodologie est présentée avec la théorie associée, puis explicitée pour faire ressortir les subtilités du calcul numérique parallèle. Le solide est traité avec une méthode de sommation modale qui diminue les coûts de calcul en admettant de petites déformations. Le solide est résolu dans le temps avec une méthode de différences centrées au deuxième ordre de manière explicite. Le couplage est assuré par une méthode d'interpolation entre les maillages fluide et solide à l'aide de fonctions de bases radiales. Un cas test de validation avec plaque plane flexible est ensuite détaillé puis comparé à la théorie ainsi qu'à d'autres solveurs d'interactions fluide-solide commerciaux. Les résultats confirment que les déformations du lanceur restent petites pour des perturbations de type rafales de vent. Les coefficients aérodynamiques sont peu affectés. L'amortissement fourni par l'air (aérodynamique) est faible, ce qui fait que les fréquences d'oscillation observées sont similaires aux fréquences naturelles prédites.

<p align="justify">This work deals with the development of numerical methods for compressible flow simulation with application to the interaction of fluid flows and structural bodies.</p><p><p><p align="justify">First, we develop numerical methods based on multidimensional upwind residual distribution (RD) schemes. Theoretical results for the stability and accuracy of the methods are given. Then, the RD schemes for unsteady problems are extended for computations on moving meshes. As a second approach, cell centered and vertex centered finite volume (FV) schemes are considered. The RD schemes are compared to FV schemes by means of the 1D modified equation and by the comparison of the numerical results for scalar problems and system of Euler equations. We present a number of two and three dimensional steady and unsteady test cases, illustrating properties of the numerical methods. The results are compared with the theoretical solution and experimental data.</p><p><p><p align="justify">In the second part, a numerical method for fluid-structure interaction problems is developed. The problem is divided into three distinct sub-problems: Computational Fluid Dynamics, Computational Solid Mechanics and the problem of fluid mesh movement. The problem of Computational Solid Mechanics is formulated as a system of partial differential equations for an anisotropic elastic continuum and solved by the finite element method. The mesh movement is determined using the pseudo-elastic continuum approach and solved again by the finite element method. The coupling of the problems is achieved by a simple sub-iterative approach. Capabilities of the methods are demonstrated on computations of 2D supersonic panel flutter and 3D transonic flutter of the AGARD 445.6 wing. In the first case, the results are compared with the theoretical solution and the numerical computations given in the references. In the second case the comparison with experimental data is presented.</p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished