Numerical simulation of incompressible flows interacting with forced deformable bodies: Application to fish swimming - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2014

Numerical simulation of incompressible flows interacting with forced deformable bodies: Application to fish swimming

Simulations numériques d'écoulements incompressibles interagissant avec un corps déformable : application à la nage des poissons

Résumé

We present an efficient algorithm for simulation of deformable bodies interacting with incompressible flows. The temporal and spatial discretizations of the Navier--Stokes equations in vorticity-stream function formulation are based on classical fourth-order Runge--Kutta method and compact finite differences, respectively. Using a uniform Cartesian grid we benefit from the advantage of a new fourth-order direct solver for the Poisson equation to ensure the incompressibility constraint down to machine zero over an optimal grid. For introducing a deformable body in fluid flow, the volume penalization method is used. A Lagrangian structured grid with prescribed motion covers the deformable body which is interacting with the surrounding fluid due to the hydrodynamic forces and the torque calculated on the Eulerian reference grid. An efficient law for controlling the curvature of an anguilliform fish, swimming toward a prescribed goal, is proposed which is based on the geometrically exact theory of nonlinear beams and quaternions. Furthermore to reduce the computational effort, better resolving the boundary layer and the vortical structures, adaptation of grid is performed by using multiresolution analysis. The method is based on Harten's point value representation, which through nonlinear filtering of the wavelet coefficients reduces the number of active grid points significantly. Finally an extension to three dimensional swimming is performed by adding the implicit volume penalization method to the Incompact3d open access code, to be able to take into account the deformable bodies interaction with incompressible flows. Validation of the developed method shows the efficiency and expected accuracy of the algorithm for fish-like swimming and also for a variety of fluid/solid interaction problems.
Une méthode numérique précise et efficace est proposée pour la simulation de corps déformables interagissant avec un écoulement incompressible. Les équations de Navier-Stokes, sont discrétisées spatialement à l’aide des différences finies compactes. Grâce à l'utilisation d'un maillage uniforme, nous proposons un nouveau solveur direct au quatrième ordre pour l'équation de Poisson, permettant de garantir la contrainte d'incompressibilité au niveau de zéro machine sur une grille à pas d'espace optimale. L'introduction d'un corps déformable et mobile dans l'écoulement de fluide est réalisée au moyen d'une méthode de pénalisation de volume. La déformation du corps est imposée par l'utilisation d'un maillage lagrangien structuré et mobile qui interagit avec le fluide environnant en raison des forces hydrodynamiques et du moment appliquées. Une loi efficace de contrôle de la courbure pour un poisson anguilliforme nageant vers un objectif prescrite est proposée. La loi de contrôle de la courbure est basée sur la théorie exacte des poutres non-linéaires. Ensuite pour augmenter l'efficacité de solveur, une analyse multiéchelle est ajoutée à l’algorithme, permet de réduire significativement le nombre de points de maillage. La grille se raffine automatiquement dans les régions avec un fort gradient. Finalement une simulation de nage trois-dimensionnel a été faite par méthode de pénalisation de volume appliquée au code Incompact3d qui est en accès libre. La méthode numérique développée prouve son efficacité et précision tant dans le cas de la nage du poisson que dans le cas d'autres problèmes d'interactions fluide-structure.
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Dates et versions

tel-01223248 , version 1 (02-11-2015)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01223248 , version 1

Citer

Seyed Amin Ghaffari. Numerical simulation of incompressible flows interacting with forced deformable bodies: Application to fish swimming. Fluid mechanics [physics.class-ph]. Aix Marseille université, 2014. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01223248⟩
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