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Méthodes de Boltzmann sur réseau avancées pour la simulation et la compréhension des phénomènes multiphysiques – ALBUMS

Méthodes Lattice Boltzmann pour la simulation multiphysique

La simulation numérique est aujourd'hui un outil incontournable pour l'ingénierie. Le projet vise un saut qualitatif dans le domaine de la mécanique des fluides numériques en développant des outils de nouvelles génération en mécanique des fluides (pour l'aérodynamique, l'aérothermique et l'aéroacoustique) en se basant sur un paradigme alternatif à l'approche classique basée sur les équations de Navier-Stokes, à savoir les méthoes de Boltzmann sur réseau.

Vers la simulation multiphysique industrielle à échelle 1

Le programme de recherche est organisé en quatre axes, chacun visant à supprimer un verrou scientifique d'importance majeure pour l'utilisation de la LBM pour de telles applications. Ces méthodes sont devenues essentielles dans le domaine de la dynamique numérique des fluides en raison de leur très grande efficacité par rapport aux outils classiques basés sur la résolution des équations de Navier-Stokes, en particulier pour les écoulements massivement décollés subsoniques. Leur extension à des écoulements hautement compressibles et la possibilité de traiter des cas de plus en plus complexes en termes de géométrie (y compris des objets solides déformables et/ou avec une cinématique arbitraire) est donc une question cruciale en termes de stratégie de déploiement de ces méthodes pour l'ingénierie et soulève de nombreuses questions théoriques sur les méthodes numériques et les modèles physiques. Les quatre thèmes de recherche qui structurent la chaire sont les suivants <br />- la modélisation numérique des parois solides, y compris les transferts de chaleur <br />- le développement de méthodes LBM efficaces pour la simulation d'écoulements hautement compressibles et la capture des chocs <br />- le développement de méthodes LBM pour la simulation d'écoulement en présence de solides déformables et/ou en mouvement arbitraire <br />- la modélisation de la turbulence dans le cadre des méthodes LBM, en tenant compte de leurs spécificités (maillages cartésiens uniformes imbriqués, erreurs de discrétisation, etc.)

Les travaux sont basés sur une méthode innovante, la méthode de Boltzmann sur réseau. Cette méthode, basée sur une approche mésoscopique, consiste à prévoir l'évolution spatio-temporelle des densités de probabilité associées aux particules qui composent le fluides. Une méthode originale, dite régularisée récursive hybride, est au coeur des travaux. Cette méthode, développée au laboratoire M2P2, présente de très intéressantes propriétés de précision, de stabilité et de coût de calcul. Dans le cadre de la chaire, elle est étendue aux écoulements compressibles turbulents, en présence d'objets solides mobiles.

Les résultats obtenus à ce jour portent sur:

- l'extension de la méthode pour les écoulements supersoniques
- l'amélioration de l'algorithme de prise en compte des objets solides en mouvement
- l'amélioration de la modélisation des parois solides en présence de couches limites turbulentes
- le développement de modèles de turbulence hybrides RANS/LES optimisés pour les méthodes de Boltzmann sur réseau

Les perspectives après 18 mois portent sur la consolidation des développements théoriques, puis sur le déploiement et la validation sur des cas industriels

Après 18 mois, plusieurs articles sont parus ou sont en cours d'expertises dans des journaux internationaux à comité de lecture de premier plan

Le projet porte sur le développement de méthodes de Boltzmann sur réseau (Lattice-Boltzmann Method - LBM) efficaces pour la simulation numérique dans les domaines de l'aérodynamique, de l'aéroacoustique et du transfert de chaleur en configuration industrielle pour l'aéronautique et le transport terrestre (exemples : moteur aéronautique installé, moteur sous capot, véhicule complet avec parties mobiles). Cette chaire, financée par trois partenaires industriels - Airbus, Safran et Renault - est portée par le Pr. Pierre Sagaut au Laboratoire de Mécanique, Modélisation et Procédés Propres (Université d'Aix-Marseille/Ecole Centrale de Marseille/CNRS). Les travaux sont organisés autour de quatre thèmes, chacun permettant de lever un verrou scientifique particulièrement important pour le déploiement des méthodes LBM sur de nouvelles applications industrielles. Ces méthodes sont devenues incontournables dans le domaine de la Mécanique des Fluides Numérique du fait de leur très grande efficacité par rapport aux outils classiques basés sur la résolution des équations de Navier-Stokes, notamment pour les écoulements décollés faiblement compressibles. Leur extension aux écoulements fortement compressibles et la possibilité de traiter des cas toujours plus complexes en terme de géométrie (incluant des objets solides déformables et/ou avec une cinématique quelconque) est donc un enjeu crucial en terme de stratégie de déploiement de ces méthodes pour l'ingénierie et soulève de nombreuses questions théoriques sur les méthodes numériques et les modèles physiques. Les quatre thèmes de recherche qui structurent la chaire sont:
- la modélisation numérique des parois solides, incluant les transferts de chaleur
- la mise au point de méthodes LBM efficaces pour la simulation des écoulements fortement compressibles et la capture des chocs
- le développement de méthodes LBM pour la simulation des écoulements en présence de solides déformables et/ou en mouvement quelconque
- la modélisation de la turbulence dans le cadre des méthodes LBM, en tenant de leurs spécificités (maillages cartésiens uniformes emboités, erreurs de discrétisation ...)

La gouvernance du projet est organisée en trois niveaux:
- un comité technique (mensuel), qui assure le suivi opérationnel des tâches définies au sein des thèmes. Ce comité associe le porteur de la chaire, les responsables des thèmes, et un représentant de chaque partenaire industriel.
- le comité de pilotage (semestriel), qui discute et valide les grandes orientations et suit le budget de la chaire. Ce comité associe le porteur, les représentant des partenaires industriels et des tutelles académiques
- un comité consultatif international, composé de chercheurs français et étrangers faisant autorité sur les thèmes de recherche du projet, qui sera réuni au moins trois fois sur les quatre années du projet. Son rôle sera d'aider le comité de pilotage à prendre des décisions en donnant une analyse du contexte international et une vision prospective des méthodes LBM, et également en recommandant des collaborations ciblées.

Les moyens mis en œuvre, outre le travail des chercheurs permanents du M2P2, consistent en 4 financements de thèse (une sur chaque thème) et de 16 années de post-doctorat (répartis sur les quatre thèmes). La mise à disposition des résultats des recherches vers un public large est un axe fort du projet. Outre le fait que tous les articles seront publiés sous format "accès libre" (Gold open access), les données et résultats seront publiés sur un site web dédié à la chaire. Ce site contiendra également un intranet pour permettre l'échange des données non-publiques entre les membres du projet. Ce dispositif sera renforcé par l'organisation de deux workshops internationaux, où seront invitées les principaux groupes de recherche investis sur les quatre thèmes de recherche. Ces manifestations seront complétées par des formations doctorales organisées en liaison avec le Collège Doctoral d'Aix-Marseille.

Coordinateur du projet

Monsieur Pierre Sagaut (Laboratoire de Mécanique Modélisation et Procédés Propres)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

M2P2 Laboratoire de Mécanique Modélisation et Procédés Propres

Aide de l'ANR 1 073 088 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2018 - 48 Mois

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