Soutenance de thèse de Heesik YOO

Les géométries rotatives sont des configurations cruciales dans l'industrie, rencontrées dans les rotors, les hélices et les turbofans. La méthode la plus classique pour les simuler dans la dynamique des fluides numérique (CFD) est la maille overset (appelée aussi maille Chimera), qui utilise deux mailles différentes simultanément. Cependant, la complexité numérique de ce schéma rend leur mise en œuvre difficile en CFD, sans parler de la méthode de Boltzmann en treillis (LBM). La LBM a attiré plusieurs secteurs industriels au cours des dernières décennies, notamment les transports aéronautiques, l'énergie et la santé, et reste un sujet de recherche très actif en CFD. Alors que les inconvénients chroniques du LBM ont été récemment surmontés par la communauté, tels que les Problèmes d'instabilité à haut Reynolds et à haut nombre de Mach, l'un des principaux défis restants est de simuler avec un haut niveau de fiabilité des géométries tournantes soumises à ces conditions industrielles difficiles. Dans cette thèse, nous fournissons une étude détaillée de l'application des grilles rotatives sur-étalées dans le LBM pour les écoulements à haut Reynolds et à haut nombre de Mach. Pour ce faire, puisqu'il existe des mailles fixes et rotatives en même temps, une procédure d'interpolation efficace est utilisée pour effectuer la communication instantanée entre les mailles fixes et rotatives, et des forces fictives appropriées sont appliquées dans la région rotative pour tenir compte de l'axe de référence non inertiel. De plus, la physique de l'écoulement est décrite par un modèle LBM hybride récursif régularisé (HRR), qui est choisi pour stabiliser l'écoulement à partir d'un Reynolds élevé, d'un Mach élevé et des défauts numériques des grilles surajoutées. En particulier, pour l'écoulement compressible, la température est transportée par l'équation d'entropie qui est résolue par le schéma MUSCL-Hancock. Le cadre numérique est analysé en profondeur en séparant tous les ingrédients numériques et en étudiant les différentes sources d'erreurs numériques provenant de l'algorithme. Il est validé sur différents cas de test, des cas académiques aux cas industriels difficiles. Les résultats mettent en évidence la bonne précision et la robustesse de la méthode numérique par rapport aux solveurs conventionnels de volumes finis de Navier-Stokes et aux expériences. À la connaissance de l'auteur, ce travail présente la première validation approfondie et l'analyse des erreurs de la méthode de Boltzmann en treillis pour la simulation de géométries en mouvement dans des écoulements compressibles à haute vitesse, y compris tout type de mouvement comme l'oscillation, la translation et la rotation, etc.

Rotating geometries are crucial configurations in industry, encountered in rotors, propellers and turbofans and the most classical method to simulate them in general computational fluid dynamics (CFD) is the overset mesh (so called, Chimera mesh), which uses two different meshes simultaneously. However the numerical complexity of this scheme makes their implementation challenging in CFD, not to mention in lattice Boltzmann method (LBM). LBM has been attracting several industrial sectors over the last decades, including aeronautical transport, energy and health, and still remains a very active research topic in CFD. While chronic drawbacks of the LBM have been being overcome recently by the community, such as the instability issues at high Reynolds and high Mach numbers, one of the major remaining challenges is to simulate with a high level of reliability rotating geometries undergoing these challenging industrial conditions. In this thesis, we provide a detailed study of the application of rotating overset grids in LBM at high Reynolds and high Mach numbers flows. To do so, since there exist both fixed and rotating meshes at the same time, an efficient interpolation procedure is used to perform the instantaneous communication between fixed and rotating meshes, and appropriate fictitious forces are applied in the rotating region to account for the non-inertial reference axis. Also, flow physics are described by hybrid recursive regularized LBM model (HRR), which is chosen to stabilize flow from high Reynolds, high Mach flow and the numerical defects of overset grids. Particularly, for compressible flow, temperature is transported by the entropy equation which solved by the MUSCL-Hancock scheme. The numerical framework is thoroughly analyzed by separating all numerical ingredients and by studying the different numerical error sources originated from the algorithm. It is validated on different test cases, from academic ones to challenging industrial ones. The results point out good accuracy and robustness of the numerical method compared to conventional finite volume Navier-Stokes solvers and experiments. According to the best of the author's knowledge, this work presents the first thorough validation and error analysis of the lattice Boltzmann method for simulating moving geometries in high Mach compressible flows, including any type of movement such as oscillation, translation and rotation, etc.