Contributions to the parallel simulation of two-phase flows and analysis of finite volume schemes on staggered grids - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Contributions to the parallel simulation of two-phase flows and analysis of finite volume schemes on staggered grids

Contributions à la simulation parallèle d’écoulements diphasiques et analyse de schémas volumes finis sur grille décalée

Résumé

In this thesis, the most important contribution has consisted in the implementation of modern algorithms that are well adapted for modern parallel architectures, in an industrial software dedicated to nuclear safety studies, the Cathare code. This software is dedicated to the simulation of two-phase flows within nuclear reactors under nominal or accidental situations. This work represents in itself an important contribution in nuclear safety studies thanks to the reduction of the computational time and the better accuracy that it can provide for the knowledge of the state of nuclear power plants during severe accidents. A special effort has been made in order to efficiently parallelise the time variable through the use of the parareal algorithm. For this, we have first designed a parareal scheme that takes more efficiently into account the presence of multi-step time schemes. This family of time schemes can potentially bring higher approximation orders than plain one-step methods but the initialisation of the time propagation in each time window needs to be appropriately chosen. The main idea consists in defining a consistent approximation of the solutions involved in the initialisation of the time propagations, allowing to reach convergence with the desired accuracy. Then, this method has been succesfully applied on test cases that are representative of the numerical challenges for the simulation of two-phase flows in the context of nuclear safety studies. A second phase of our work has been to explore numerical methods that could handle better the numerical difficulties that are specific to two-phase flows with a lower computational cost. This part of the thesis has been devoted to the understanding of the theoretical properties of finite volume schemes on staggered grids such as the one used in the Cathare code. Staggered schemes are known to be more precise for almost incompressible flows in practice and are very popular in the thermal hydraulics community. However, in the context of compressible flows, their stability analysis has historically been performed with a heuristic approach and the tuning of numerical parameters. This question has been addressed by analysing their numerical diffusion operator that gives new insight into these schemes. For classical staggered schemes, the stability is obtained only in the case of constant sign velocities. We propose a class of linearly L 2 -stable staggered schemes and a class of entropic staggered schemes. These new classes are based on a carefully chosen numerical diffusion operator and are more adapted to two-phase flows where phasic velocities frequently change signs. These methods have been successfully applied in analytical cases (involving Euler equations) and we expect that the present developments will allow its use in more realistic and complex cases in the future, like the one of the simulation of two-phase flows within a nuclear reactor during an accidental scenario.
Dans cette thèse, l’apport le plus important a consisté en l’implémentation d’algorithmes modernes adaptés aux architectures massivement parallèles, dans un logiciel industriel dédié aux études de sûreté nucléaire, le code Cathare. Ce logiciel est dédié à la simulation des écoulements diphasiques au sein d’un réacteur nucléaire en conditions nominales ou accidentelles. L’implémentation de ces nouvelles techniques représente en soi une contribution importante dans la physique des réacteurs car il permettra de déterminer, avec un temps de calcul réduit et de façon précise, l’état du cœur au cours d’accidents graves. Un effort particulier a été mené pour paralléliser de manière efficace la variable temporelle par l’algorithme pararéel. Pour cela, nous avons proposé une méthode pararéelle qui intègre de façon plus optimisée la présence de schémas en temps multi-pas. En effet, cette famille de schémas permet d’obtenir une approximation d’ordre supérieur à celui d’un schéma en temps à un pas. Cependant l’initialisation de la propagation en temps en chaque fenêtre doit être choisie avec soin. L’idée principale de ce nouveau schéma est de définir une approximation consistante des solutions permettant l’initialisation des propagations en temps, permettant ainsi à l’algorithme de converger vers la solution avec la précision voulue. Cette méthode a ensuite été appliquée sur deux cas tests représentatifs des défis numériques rencontrés dans la simulation des écoulements diphasiques dans le cadre des études de sûreté nucléaire. La seconde partie de cette thèse est consacrée au développement de méthodes numériques permettant de traiter les difficultés numériques spécifiques aux modèles diphasiques avec un temps de calcul réduit. Dans cette partie, on développe un cadre d’analyse rigoureux pour l’étude des schémas volumes finis sur grille décalée comme celui utilisé dans le code Cathare. Les schémas décalés sont en pratique plus précis pour les fluides quasi incompressibles et sont couramment utilisés dans la communauté thermohydraulique. Cependant, pour les fluides compressibles, les études de stabilité ont été historiquement menées par une approche heuristique et par le réglage de paramètres numériques. Cette question est abordée par l’analyse des opérateurs de diffusion numérique qui permettent de porter un nouveau regard sur les schémas décalés. Cela nous permet de montrer que les schémas décalés classiques sont linéairement stables L 2 uniquement lorsque les vitesses sont de signe constant. On propose une classe de schémas décalés linéairement stables L 2 ainsi qu’une classe de schémas décalés entropiques. Ces nouvelles classes sont construites à l’aide d’un opérateur de diffusion numérique particulier et sont mieux adaptées aux modèles diphasiques pour lesquels les vitesses phasiques changent fréquemment de signe. Ces méthodes ont été appliquées au système d’Euler isentropique sur des cas tests analytiques et nous pensons que les développements actuels permettront à l’avenir son utilisation dans des cas plus réalistes et complexes, comme la simulation des écoulements diphasiques au sein d’une installation nucléaire.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03191320 , version 1 (07-04-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03191320 , version 1

Citer

Katia Ait Ameur. Contributions to the parallel simulation of two-phase flows and analysis of finite volume schemes on staggered grids. Numerical Analysis [math.NA]. Sorbonne Université, 2020. English. ⟨NNT : 2020SORUS077⟩. ⟨tel-03191320⟩
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