Extension of a 2D Multiblock Structured Overset Suite to a Fully 3D Multiblock Unstructured Flow Solver

Ce présent mémoire illustre les récents développements apportés aux logiciels chimères du laboratoire de recherche du professeur Éric Laurendeau à Polytechnique Montréal. Dans la dynamique des fluides numériques mieux connue en anglais sous le nom de « Computa- tional Fluid Dynamics » (CFD), les méthodes chimères aussi connues en anglais sous le nom d'« overset » permettent de faire des simulations multigéométries complexes sans lesquelles le processus de génération de maillages pourrait être très compliqué, soit même impossible. Essentiellement, ces méthodes permettent de lier et d'assembler des maillages individuels con- tenant chacun différentes géométries en un seul par le biais d'interpolations et d'interfaces. Ceci permet de grandement réduire le temps à générer des maillages, car ces derniers peuvent être générés individuellement. Conséquemment, cela permet de passer plus de temps à exé- cuter des simulations ou même implémenter de nouvelles fonctionnalités au sein de solveurs de CFD, ce qui est très utile dans un environnement de travail industriel et de recherche. Pour que les méthodes chimères fonctionnent, il est nécessaire d'effectuer quelques étapes au niveau du préprocesseur d'un solveur de CFD. Cela normalement inclut un processus de découpage, un algorithme de recherche de paires de cellules donneuses et interpolées, et un algorithme d'interpolation. Une fois que ces étapes sont complétées, la simulation peut ensuite être effectuée. Dans le cadre de ce laboratoire de recherche, la présente implémentation 2D a certains prob- lèmes connus non résolus. Également, ces méthodes 2D sont difficilement transférables à des applications 3D lors des transferts technologiques avec l'industrie qui se servent de solveurs de CFD 3D à topologies structurée et non structurée. La partie 2D de ce mémoire concerne les solutions aux problèmes au sein du préprocesseur chimère de NSCODE qui est un solveur de CFD 2D structuré. Plusieurs problèmes avec les méthodes implémentées dans le passé ont été identifiés et résolus dans le cadre de ce mémoire. Le premier problème concerne les erreurs de décalage avec les poids d'interpolation qui sont calculés aux nœuds des cellules au lieu d'être calculés au centre des cellules. Un nouveau schéma d'interpolation est mis en place dans lequel la précision et la fidélité du schéma précédent sont retenues tout en calculant les poids d'interpolation au centre des cellules. Le deuxième problème concernait la difficulté à générer des maillages de type «collar» qui sont un type particulier de maillages qui présentent une discrétisation plus fine de la géométrie pour un endroit en particulier du maillage d'arrière-plan. Des améliorations à NSGRID qui est le mailleur 2D structuré du laboratoire de recherche ont été effectuées.

Abstract

The present thesis addresses the recent developments made to the overset framework of Pro- fessor Éric Laurendeau's research lab at Polytechnique Montreal. In Computational Fluid Dynamics (CFD), overset methods allow complex multi-geometry simulations for which with- out its use the meshing process can be tedious, if not impossible. Essentially, these methods link individual meshes containing different geometries together by the means of interpola- tion and interfaces. This reduces the time spent on meshing since elements of the geometry can be meshed out individually, and thus more time can be spent on running simulations or implementing new features in a CFD flow solver which is a highly valuable resource in a research/industrial environment. In order for overset methods to work, a couple of steps are taken at the preprocessor level of the CFD flow solver in question. They usually include a hole cutting process, a donor search algorithm, and an interpolation algorithm. Once these steps are done, the simulation can then be performed. In the case of this research lab, the current framework has some pitfalls with its 2D imple- mentation and the ability of its methods to be used for 3D applications in the case of doing technological transfers with the industry who use both 3D CFD flow solvers with structured and unstructured topology. The 2D part of this thesis concerns the solutions to the problems inside the overset prepro- cessor of NSCODE which is a 2D structured CFD flow solver. Several problems with the methods implemented in the past have been identified and are solved in the case of this thesis. The first problem concerns offset errors with the interpolation weights calculated at the cell vertices instead of the cell centers. A new interpolation scheme is devised in which the pre- cision and accuracy of the first one are retained while having the weights properly calculated at the cell centers. The second issue was with the rigidity of generating collar grids which is a type of mesh that possesses a finer discretization of the geometry for a specified region of the background mesh. Improvements to NSGRID which is the 2D structured mesher of the research lab have been made in that regard. Users can now generate normally projected collar grids with easier inputs. The third issue concerns the solid-solid discontinuity problem that occurs when 2 overset meshes share the same solid geometry (i.e. a collar grid with a background mesh). The results demonstrate the geometric correction that is employed to recreate halo cells which are cells found on the fringes of the mesh. In the case of the overset method, these cells are necessary for proper computation of derived values such as the pressure coefficient and coefficient of friction.