Numerical and parallel modeling of anisotropic fitted mesh for industrial quenching applications
Modélisation numérique et parallèle d'un maillage ajusté anisotrope pour l'application de trempe industrielle
Résumé
The development of efficient methods to simulate multi-components systems is among engineering challenges and still a need for industrials, especially in the case of fluid-structure interaction or conjugate heat transfer. The quenching process falls within this framework since it impacts directly the change in the mechanical and physical property of industrial parts. Many numerical formulation of this process have been developed, but considerable imprecision still exists, especially because of the assumptions made on the use of simple geometries and approximate quench environments. For the quenching process, several types of geometries with different complexities are studied and analyzed. Therefore, generating meshes for such complex geometries is a challenge. By improving methods for multi-physics, particularly fluid-thermal and fluid-solid couplings, the overall mathematical framework of this thesis will address this challenge.In this work, the Immersed Volume Method is extended: a new anisotropic adaptive body-fitted mesh method is proposed. Its simplicity and generality allow it to tackle complex geometries, and its robustness allow to deal with complex physical problems. Two successive iterations are combined: first, gradient-based metric construction uses the gradients of the level-set function of any immersed object to generate an anisotropic well-adapted mesh. It is followed by a geometric adaptation using R-adaptation and swapping in order to create a sharp fitted mesh. This new approach achieves the desired local geometry resolution of a body-fitted mesh and obtains the needed numerical accuracy at the interface due to the anisotropic unstructured elements.The new approach will allow to solve fluid-solid interactions and CFD problems including boundary layer, curvature, and high-gradient solutions, covering 2D and 3D parallel applications, and real-world practical problems.
Le développement de méthodes efficaces pour simuler des systèmes multi-composants fait partie des défis d'ingénierie et reste un besoin pour les industriels, notamment dans le cas de l'interaction fluide-structure ou du transfert de chaleur conjugué. Le processus de trempe s'inscrit dans ce cadre puisqu'il a un impact direct sur la modification des propriétés mécaniques et physiques des pièces industrielles. De nombreuses formulations numériques de ce processus ont été développées, mais une grande imprécision subsiste, notamment en raison des hypothèses faites sur l'utilisation de géométries simples et d'environnements de trempe approximatifs. Pour le processus de trempe, plusieurs types de géométries de complexités différentes sont étudiés et analysés. Par conséquent, la génération de maillages pour des géométries aussi complexes reste un défi. En améliorant les méthodes pour la multi-physique, en particulier les couplages fluide-thermique et fluide-solide, le cadre mathématique global de cette thèse permettra de relever ce défi.Dans ce travail, la méthode des volumes immergés est étendue : une nouvelle méthode de maillage adaptatif anisotrope adaptée à la géométrie est proposée. Sa simplicité et sa généralité lui permettent d'aborder des géométries complexes, et sa robustesse permet de traiter des problèmes physiques complexes. Deux itérations successives sont combinées : tout d'abord, la construction d'une métrique basée sur le gradient utilise les gradients de la fonction level-set de l'objet immergé pour générer un maillage anisotrope bien adapté. Elle est suivie d'une adaptation géométrique utilisant la R-adaptation et la permutation afin de créer un maillage ajusté net. Cette nouvelle approche permet d'atteindre la résolution géométrique locale souhaitée d'un maillage adapté au corps et d'obtenir la précision numérique nécessaire à l'interface grâce aux éléments anisotropes non structurés.La nouvelle approche permettra de résoudre les interactions fluide-solide et les problèmes de CFD, y compris les solutions de couche limite, de courbure et de gradient élevé, couvrant les applications parallèles 2D et 3D, et les problèmes pratiques du monde réel.
Origine : Version validée par le jury (STAR)