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

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

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

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.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

Shape optimization of a linearly elastic rolling structure under unilateral contact using Nitsche's method and cut finite elements

The main motivation of this work is to develop a numerical strategy for the shape optimization of a rolling elastic structure under contact with respect to a uniform rolling criterion. A first objective is to highlight the influence on the treatment of the contact terms. To do so, we present a numerical comparison between a penalty-based approach and the use of Nitsche's method which is known to have good consistency properties. A second task concerns the construction of an objective functional to force the uniform rolling criterion. Here, we present and compare two different strategies that will lead to quite similar results. All the numerical experiments proposed in this paper were performed using a fictitious domain approach coupled with a level set representation of the shape and the use of a cut finite element method to approximate the elastic equation

High-order residual-based compact schemes for compressible flows on overset grids

Residual-Based Compact (RBC) schemes have been developed for the simulation of compressible flows in the finite difference framework and extended to curvilinear grids via a structured finite-volume formulation. In order to enable the handling of more complex geometrical configurations, we investigate in this paper the use of RBC schemes with an overset grid strategy on overlapping block-structured meshes. To this purpose, we de- velop a complete overset grid assembly program. To ensure communication between grids, Lagrangian interpolations of the same order of accuracy as the inner numerical scheme are used. The proposed methodology is validated for selected test cases in compressible aerodynamics

Effect of Intra- and Extrauterine Growth on Long-Term Neurologic Outcomes of Very Preterm Infants

International audienc