Development of a Parallel 3D Solid-Solid Overset RANS Method

Ce présent mémoire présente les avancées récentes apportées à la technologie overset du laboratoire de recherche du professeur Éric Laurendeau à Polytechnique Montréal. L'approche overset est vastement utilisée dans l'industrie aérospatiale pour supporter la résolution de simulations hautement complexes en mécanique des fluides numérique. La méthode présentée dans ce mémoire assemble des maillages individuels contenant différentes géométries ou parties de géométries. On peut donc représenter une géométrie complexe par le biais de différents sous-maillages conçus pour les requis locaux de discrétisation. En référence à la mythologie grecque, la méthode est parfois appelée chimère. La flexibilité que procure cette méthode minimise les coûts et risques associés à la génération de maillages. Un préprocesseur est typiquement utilisé pour assembler les différents maillages utilisés dans une simulation. Une connectivité est définie pour permettre aux maillages de communiquer entre eux à chaque itération dans le solveur Computational fluid dynamics (CFD). Ce préprocesseur permet de facilement ajouter, retirer ou modifier une aile horizontale lors de la simulation sur un avion complet par exemple. Dans le cadre de cette maitrise, un préprocesseur overset tridimensionnel est développé. La technologie est intégrée au logiciel de mécanique des fluides numérique tridimensionnel CHApel Multi-Physics Simulation (CHAMPS) et vise à s'attaquer à des problèmes industriels d'actualité. L'approche chimère est typiquement composée d'une étape de coupure de trou qui permet l'identification des cellules hors du domaine de calcul et d'une étape de création de la connectivité entre les sous-maillages. Une première implémentation de la technologie dans le laboratoire de professeur Laurendeau permet une utilisation de l'approche avec des maillages overset bidimensionnel exempts de chevauchement impliquant plus d'une géométrie. Afin d'optimiser la robustesse et la flexibilité de l'approche sur des cas tridimensionnels plus complexes, une revue de littérature a été faite. Le premier développement de ce présent projet permettant l'application de la méthode à des cas tridimensionnels complexes est une méthode de découpage beaucoup plus robuste. L'approche des rayons X permet le découpage précis autour des géométries convexes et concaves avec une précision contrôlable. La méthode génère, avec les paramètres et ressources appropriés, des résultats sans défaut sur des applications industrielles complexes. L'application de la méthode sur des géométries complexes implique la plupart du temps des duplications de surface solide. Les maillages de type collant, aussi connu comme collar grid sont utilisés pour redéfinir des parties du maillage qui sont critiques et/ou mal définis.

Abstract

The present thesis presents the recent advances brought to the overset technology in the research laboratory of Professor Éric Laurendeau at Polytechnique Montréal. The overset approach is widely used in the aerospace industry to support flow resolution on complex simulations in CFD. The method presented in this thesis assembles individual grids containing different solid bodies or part of them. It is therefore possible to represent a complex geometry via different sub-grids generated to fit their local discretization requirements. In reference to the Greek mythology, the method is sometimes referred as chimera. The flexibility brought by the method minimizes the risks and costs associated with the grid generation process. Typically, a preprocessor is used to build the grid to grid connectivity linking the different grids. This connectivity allows the communication of the flow variable's information at each iteration of the flow solver. The approach allows to easily add, remove or modify a horizontal stabilizer onto an aircraft configuration, for example. The scope of this thesis is to develop a three-dimensional overset preprocessor within the CHAMPS framework, which is a three-dimensional CFD solver, and aim to tackle industrial applications. The method is usually composed of a hole cutting step that allows identification of the grid cells outside of the computational domain and a connectivity step that build the interpolation stencil linking the grids. A first implementation of the technology in Professor Eric Laurendeau's laboratory allows applications on bi-dimensional case exempt of intersection between solid bodies. The first advancement to allow applications on more complex three-dimensional cases was to implement a more robust hole cutting method. The X-ray approach allows a precise cutting around both concave and convex bodies. With the appropriate inputs, the method generates results without default on complex industrial cases. The application of the method on more complex geometries often implies surface duplication. The collar grid approach uses auxiliary grids to define critical or ill-defined regions of the domain. They are often defining the regions surrounding an intersection between multiple solid bodies. Considerations for the use of the collar grid are brought to the implementation in order to increase the robustness. First, the surface integration to compute the aerodynamic forces must consider the surface duplications. Then, an auxiliary method helps accelerate the hole cutting in these often fine regions.