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Theses Year : 2014

A new dynamic code architecture for CFD computations : application to the development of an overset-grid compact high-order solver for compressible aerodynamics

Architecture novatrice de code dynamique : application au développement d'un solveur compact d'ordre élevé pour l'aérodynamique compressible dans des maillages recouvrants

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Abstract

High-order numerical schemes are usually restricted to research applications, involving highly complex physical phenomena but simple geometries, and regular Cartesian or lowly deformed meshes. A demand exists for a new generation of industrial codes of increased accuracy. In this work, we were led to address the general question of how to design a CFD code architecture that: can take into account a variety of possibly geometrically complex configurations; remains simple and modular enough to facilitate the introduction and testing of new ideas (numerical methods, models) with a minimal development effort; use high-order numerical discretizations and advanced physical models. This required some innovative choices in terms of programming languages, data structure and storage, and code architecture, which go beyond the mere development of a specific family of numerical schemes. A solution mixing Python and Fortran languages is proposed with details on the concepts at the basis of the code architecture. The numerical methods are validated on test-cases of increasing complexity, demonstrating at the same time the variety of physics and geometry currently achievable with DynHoLab. Then, based on the computational framework designed, this work presents a way to handle complex geometries while increasing the order of accuracy of the numerical methods. In order to apply high-order RBC schemes to complex geometries, the present strategy consists in a multi-domain implementation on overlapping structured meshes.
L'utilisation de schémas numériques d'ordre élevé est généralement restreinte à des applications de recherche mettant en jeu des phénomènes physiques complexes mais des géométries simples à l'aide de maillages Cartésiens ou faiblement déformés. Il existe une demande pour une nouvelle génération de codes industriels ayant une précision accrue. Dans ce travail, nous avons été amenés à répondre à la question générale sur la façon de concevoir l'architecture d'un code CFD pouvant prendre en compte une variété de configurations géométriquement complexes, restant assez simple et permettant facilement l'implantation de nouvelles idées (méthodes numériques, modèles) avec un effort de développement minimal, et utilisant des schémas numériques d'ordre élevé ainsi que des modèles physiques avancés. Cela a nécessité des choix innovants en termes de langages de programmation, structure de données et stockage, et sur l'architecture de code, choix qui vont au-delà du simple développement d'une famille spécifique de schémas numériques. Une solution (code DynHoLab) alliant les langages Python et Fortran est proposé avec les détails sur les concepts à la base de l'architecture du code. Les méthodes numériques implantées dans le code sont validées sur des cas-tests de complexité croissante, démontrant en passant la variété des physiques et géométries actuellement réalisables avec DynHoLab. Puis, basé sur ce code, ce travail présente un moyen de gérer des géométries complexes tout en augmentant le degré de précision des méthodes numériques. Afin d'appliquer les régimes d'ordre élevé RBC à des géométries complexes, la stratégie actuelle consiste en une mise en œuvre multi-domaine sur des maillages recouvrants.
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Cite

Pierre-Yves Outtier. A new dynamic code architecture for CFD computations : application to the development of an overset-grid compact high-order solver for compressible aerodynamics. Other [cond-mat.other]. Ecole nationale supérieure d'arts et métiers - ENSAM, 2014. English. ⟨NNT : 2014ENAM0029⟩. ⟨tel-02938718⟩
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