Dans les installations nucléaires, les explosions, qu’elles soient d’origine interne ou externe, peuvent entrainer la rupture du confinement et le rejet de matières radioactives dans l’environnement. Il est donc fondamental, dans un cadre de sûreté de modéliser ce phénomène. L’objectif de cette thèse est de contribuer à l’élaboration de schémas numériques performants pour résoudre ces modèles complexes. Les travaux présentés s’articule autour de deux axes majeurs : le développement de schémas volumes finis consistants pour les équations d’Euler compressible qui modélise les ondes de choc et celui de schémas performants pour la propagation d’interfaces comme le front de flamme lors d'une déflagration. La discrétisation spatiale est de type mailles décalées pour tous les schémas développés. Les schémas pour les équations d'Euler se basent sur une formulation en énergie interne qui permet de préserver sa positivité ainsi que celle de la masse volumique. Un bilan d'énergie cinétique discret peut être obtenu et permet de retrouver un bilan d'énergie totale par l'ajout d'un terme de correction dans le bilan d'énergie interne. Le schéma ainsi construit est consistant au sens de Lax avec les solutions faibles entropiques des équations continues. On utilise les propriétés des équations de type Hamilton-Jacobi pour construire une classe de schémas volumes finis performants sur une large variété de maillages modélisant la propagation du front de flamme. Ces schémas garantissent un principe du maximum et possèdent des propriétés importantes de monotonie et consistance qui permettent d'obtenir un résultat de convergence. / In nuclear facilities, internal or external explosions can cause confinement breaches and radioactive materials release in the environment. Hence, modeling such phenomena is crucial for safety matters. The purpose of this thesis is to contribute to the creation of efficient numerical schemes to solve these complex models. The work presented here focuses on two major aspects: first, the development of consistent schemes for the Euler equations which model the blast waves, then the buildup of reliable schemes for the front propagation, like the flame front during the deflagration phenomenon. Staggered discretization is used in space for all the schemes. It is based on the internal energy formulation of the Euler system, which insures its positivity and the positivity of the density. A discrete kinetic energy balance is derived from the scheme and a source term is added in the discrete internal energy balance equation to preserve the exact total energy balance. High order, MUSCL-like interpolators are used in the discrete momentum operators. The resulting scheme is consistent (in the sense of Lax) with the weak entropic solutions of the continuous problem. We use the properties of Hamilton-Jacobi equations to build a class of finite volume schemes compatible with a large number of meshes to model the flame front propagation. These schemes satisfy a maximum principle and have important consistency and monotonicity properties. These latters allows to derive a convergence result for the schemes based on Cartesian grids.

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

No / Nazarbayev University Seed Grant, entitled “Environmental assessment of sediment pollution impact on hydropower plants”.

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur. / Dans cette thèse nous abordons la conception de nouveaux schémas de type volumes finis pour la résolution de systèmes hyperboliques non-linéaires pour la prédiction des écoulements compressibles instationnaires. Les nouveaux schémas présentés s'appuient tous sur les schémas proposés par Arminjon-Viallon et Arminjon-Stanescu-Viallon en 2 dimensions spatiales qui, eux, furent dérivés du schéma de Nessyahu-Tadmor en une dimension d'espace construit à partir du schéma décalé bien connu de Lax-Friedrichs. Ces schémas peuvent être considérés comme étant tous du type de Godunov et ont pour caractéristique principale d'éviter la résolution des problèmes de Riemann aux interfaces en utilisant 2 maillages différents pour, respectivement, les pas de temps pairs et impairs. Pour éviter la trop grande diffusion amenée par le schéma de Lax-Friedrichs, on a eu recours à l'utilisation d'une technique nommée MUSCL, originalement proposée par van Leer, consistant à reconstruire la solution constante par cellule en une solution linéaire par cellule tout en limitant les oscillations grâce à l'utilisation de fonctions non-linéaires. On obtient tout d'abord une extension en 3 dimensions spatiales sur des maillages cartésiens structurés. Ensuite, nous abordons le cas de maillages non-structurés composés de tétraèdres, et la formulation mathématique du schéma associé à ces cellules. Pour réduire les temps de calcul, un nouveau, schéma de type centré fondé sur celui de Nessyahu-Tadmor mais évitant l'utilisation d'un pas intermédiaire, et composé d'un nouveau flux est proposé en une et 2 dimensions spatiales pour des maillages structurés, puis en 3 dimensions sur des maillages non structurés composés de tétraèdres. Les résultats obtenus démontrent que les nouvelles méthodes sont moins sensibles aux maillages déformés et qu'elles sont plus simples à mettre en œuvre du fait que le problème de Riemann est évité et qu'aucune information sur la décomposition de la discontinuité en les différents champs caractéristiques du système n'est nécessaire.

L'objet de cette thèse est de mettre en œuvre des outils pour la simulation numériques des torches à projection plasma.<br />Dans la première partie, une méthode volumes finis 3D pour maillages non structurés est construite. Cette méthode d'ordre 2 utilise une reconstruction linéaire multipente. On prouve qu'elle est stable au sens du principe du maximum. Sa simplicité est mise en avant et sa rapidité est vérifiée par des tests numériques. Enfin on l'utilise pour réaliser une simulation de l'écoulement non visqueux dans une chambre de torche.<br />La seconde partie est dédiée à l'étude des jets chauds compressibles fortement pulsés par simulation numérique directe. L'utilisation de schémas d'ordre élevé en temps et en espace est justifiée. Des conditions aux limites permettant d'imposer de fortes perturbations au jet sont décrites. Le nombre de Reynolds de l'écoulement est d'autant plus élevé que la température du milieu ambiant est faible, rendant les simulations numériques difficiles.

<p>The MUSCL-Hancock finite volume method with different slope limiters has been analyzed in the context of a fast transient flow problem. A derivation and analysis of the axial forces inside a pipe system due to a flow transient is also performed. </p><p>The following slope limiters were implemented and compared: MC, van Leer, van Albada, Minmod and Superbee. The comparison was based on the method's ability to calculate the forces due to a flow transient inside a pipe system.</p><p>The tests and comparisons in this thesis show that the MC, van Leer, van Albada and Minmod limiters behave very much the same for the flow transient problem. If one would rank these four limiters with respect to the numerical error, the order would be the one presented above, the MC limiter being the most accurate. The error the four limiters produce is mainly of diffusive nature and it is just the magnitude of the diffusion that seems to differ between the methods. One should also note that the workload rank of the four limiters is the same as the order presented above. The MC limiter being the least efficient of the four and the Minmod limiter the most efficient.</p><p>In most of the tests performed the Superbee limiter display a rather negative unpredictable behavior. For some relatively simple cases this particular approach shows big difficulties maintaining the dynamical properties of the force. However, the upside of the Superbee limiter is its remarkable ability to maintain the maximum value of the forces present in the pipe system, preventing underestimation of the maximum magnitude of the force.</p>

The MUSCL-Hancock finite volume method with different slope limiters has been analyzed in the context of a fast transient flow problem. A derivation and analysis of the axial forces inside a pipe system due to a flow transient is also performed.  The following slope limiters were implemented and compared: MC, van Leer, van Albada, Minmod and Superbee. The comparison was based on the method's ability to calculate the forces due to a flow transient inside a pipe system. The tests and comparisons in this thesis show that the MC, van Leer, van Albada and Minmod limiters behave very much the same for the flow transient problem. If one would rank these four limiters with respect to the numerical error, the order would be the one presented above, the MC limiter being the most accurate. The error the four limiters produce is mainly of diffusive nature and it is just the magnitude of the diffusion that seems to differ between the methods. One should also note that the workload rank of the four limiters is the same as the order presented above. The MC limiter being the least efficient of the four and the Minmod limiter the most efficient. In most of the tests performed the Superbee limiter display a rather negative unpredictable behavior. For some relatively simple cases this particular approach shows big difficulties maintaining the dynamical properties of the force. However, the upside of the Superbee limiter is its remarkable ability to maintain the maximum value of the forces present in the pipe system, preventing underestimation of the maximum magnitude of the force.

In this research, the Alternating Cell Direction Implicit method is used in temporal discretisation of the incompressible Navier-Stokes equations and compared with the well known and widely used Point Gauss Seidel scheme on structured and quadrilateral unstructured meshes. A two dimensional, laminar and incompressible Navier-Stokes solver is developed for this purpose using the artificial compressibility formulation. The developed solver is used to obtain steady-state solutions with implicit time stepping methods and a third order data reconstruction scheme (U-MUSCL) is added to obtain high order spatial accuracy. The Alternating Cell Directions Implicit method and Point Gauss Seidel scheme is compared in terms of convergence iteration number and total computation time using test cases with growing complexity, including laminar flat plate, single and multi-element airfoil calculations. Both structured and quadrilateral unstructured grids are used in single element airfoil calculations. In these test cases, it is seen that a reduction between 13% and 20% is obtained in total computation time by usage of Alternating Cell Directions Implicit method when compared with the Point Gauss Seidel method.

No

Ce travail de thèse est consacré à deux thèmes de recherche en Calcul Scientifique liés par l'approximation numérique de problèmes en mécanique des fluides. Le premier thème concerne l'approximation numérique des équations de Stokes, modélisant les écoulements de fluides incompressibles à vitesse faible. Ce thème est présent dans plusieurs travaux en Calcul Scientifique. La discrétisation en temps est réalisée à l'aide de la méthode de projection. La discrétisation en espace utilise la méthode des éléments finis mixtes hybrides qui permet d'imposer de façon exacte la contrainte d'incompressibilité. Cette approche est originale: la méthode des éléments mixtes hybrides est couplée avec une méthode d'éléments finis standards. L'ordre de convergence des deux méthodes est préservé. Le second thème concerne la mise au point de méthodes numériques de type volumes finis pour la résolution de l'équation Level Set. Ces équations interviennent de manière essentielle dans la résolution des problèmes de propagation d'interfaces. Dans cette partie, nous avons développé une nouvelle méthode d'ordre 2 de type MUSCL pour résoudre le système hyperbolique résultant de l'équation Level Set. Nous illustrons ces propriétés par des applications numériques. En particulier nous avons regardé le cas du problème des deux demi-plans pour lequel notre schéma donne une approximation pour le gradient de la fonction Level Set. Par ailleurs, l'ordre de précision attendu est obtenu avec les normes $L_1$ et $L_{\infty}$ pour des fonctions régulières. Pour finir, il est à noter que notre méthode peut être facilement étendue aux problèmes d'Hamilton-Jacobi du premier et du second ordre.