Chabot Simon la modelisation des vagues (PDF)

Université de Technologie de Compiègne

Initiation à la méthodologie de la
recherche

La modélisation des vagues :
pourquoi, comment ?
Simon Chabot — GI01

Sous la direction de :
M.
M.

Mottelet Stéphane
Villon Pierre

UTC
UTC

(Enseignant référent)
(Correspondant du jury final)

Automne 2011

Document publié sous licence Creative-Commons BY-NC

« Les plus belles découvertes cesseraient
de me plaire si je devais les garder pour moi. »
Sénèque

Document publié sous licence Creative-Commons BY-NC

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http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/fr/

Remerciements

Je tiens tout particulièrement à remercier Stéphane Mottelet pour avoir
formulé le sujet à l’origine de cette étude, un sujet qui a été tout autant
intéressant que chronophage.
Mais aussi Daniel, pour ses relectures attentives et ses critiques. Je le
remercie également pour l’oreille attentive qu’il m’a offerte tout au long
de ce semestre. Je le soupçonne d’ailleurs d’avoir feint plusieurs fois d’être
intéressé, mais cela m’a permis à plusieurs reprises d’explorer des points
que je n’aurai pas étudiés sinon.
Je pense également à Marie, sans qui je n’aurai jamais mis les pieds
dans ce cours au début du semestre, et donc jamais pu faire cette étude. . .

vii

Table des matières
Table des matières

viii

Introduction

1

Méthodologie

3

1 Introduction à la description d’un fluide
1.1

1.2
1.3

Deux approches bien différentes . . . . . . .
1.1.1 Lagrangienne . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.2 Eulérienne . . . . . . . . . . . . . . . . .
La dérivée particulaire . . . . . . . . . . . .
Rendre compte du mouvement d’un fluide
1.3.1
1.3.2

1.4

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Équations de Navier - Stokes pour les fluides incompressibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
L’équation continue de Boltzmann . . . . . . . . . . . . .

Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 Modélisation d’une vague
2.1

Les équations de Saint-Venant . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1 La méthode de Lax-Wendroff . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2

2.2

2.3

2.4

Application de la méthode Lax-Wendroff aux équations
de Saint-Venant dans le cas 1D . . . . . . . . . . . . . . .

La méthode de Boltzmann sur réseau . . . . . . . . . .
2.2.1 Discrétisation de l’équation de Boltzmann . . . . . . .
2.2.2 Description de la méthode . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.3 Un pas vers la modélisation d’un fluide à surface libre .
2.2.4 Exemple et conclusions sur LBM . . . . . . . . . . . .
Smoothed Particle Hydrodynamics . . . . . . . . . . . .
2.3.1 Integral and summation interpolant . . . . . . . . . . . .
2.3.2 Calcul de la position des particules . . . . . . . . . . .
Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2

3.3

viii

Quelques optimisations pour LBM . . . . . . . .
3.1.1 Vers une parallélisation de LBM . . . . . . . . .
3.1.2 Autres optimisations . . . . . . . . . . . . . . .
Une meilleure structure de données pour SPH
3.2.1 Recherche dans un arbre-kd . . . . . . . . . . . .
3.2.2 Recherche dans une table de hashage . . . . . .
Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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30
31
31
34

3 Coûts et optimisations
3.1

5
5
5
6
7
8

Conclusion générale

35

A La méthode de Boltzmann sur réseau

37

A.1 Obtention de la distribution d’équilibre de la fonction de Boltzmann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.2 Implémentation de LBM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B Smoothed Particle Hydrodynamics
B.1 Convergence vers δ( x ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B.2 Exemple de noyaux utilisés pour SPH . . . . . . . . . . . .
B.2.1 Simulation normale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B.2.2 Simulation à faible résolution . . . . . . . . . . . . . . .

C Documents nécessaires à l’UV
C.1 Note de clarification . . . . . . . . . . . .
C.1.1 Contexte, motivation et problématique .
C.1.2 Démarche employée . . . . . . . . . . .
C.1.3 Calendrier prévisionnel . . . . . . . . .
C.2 Plan provisoire . . . . . . . . . . . . . . . .
C.2.1
C.2.2
C.2.3

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Introduction à la modélisation d’un fluide .
Modélisation d’une vague . . . . . . . . . .
Applications de ces modélisations . . . . . .

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Bibliographie

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Liste des figures

54

ix