High-order hybridizable discontinuous Galerkin method for viscous compressible flows

Computational Fluid Dynamics (CFD) is an essential tool for engineering design and analysis, especially in applications like aerospace, automotive and energy industries. Nowadays most commercial codes are based on Finite Volume (FV) methods, which are second order accurate, and simulation of viscous compressible flow around complex geometries is still very expensive due to large number of low-order elements required. One the other hand, some sophisticated physical phenomena, like aeroacoustics, vortex dominated flows and turbulence, need very high resolution methods to obtain accurate results. High-order methods with their low spatial discretization errors, are a possible remedy for shortcomings of the current CFD solvers. Discontinuous Galerkin (DG) methods have emerged as a successful approach for non-linear hyperbolic problems and are widely regarded very promising for next generation CFD solvers. Their efficiency for high-order discretization makes them suitable for advanced physical models like DES and LES, while their stability in convection dominated regimes is also a merit of them. The compactness of DG methods, facilitate the parallelization and their element-by-element discontinuous nature is also helpful for adaptivity. This PhD thesis focuses on the development of an efficient and robust high-order Hybridizable Discontinuous Galerkin (HDG) Finite Element Method (FEM) for compressible viscous flow computations. HDG method is a new class of DG family which enjoys from merits of DG but has significantly less globally coupled unknowns compared to other DG methods. Its features makes HDG a possible candidate to be investigated as next generation high-order tools for CFD applications. The first part of this thesis recalls the basics of high-order HDG method. It is presented for the two-dimensional linear convection-diffusion equation, and its accuracy and features are investigated. Then, the method is used to solve compressible viscous flow problems modelled b
Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) es una herramienta esencial para el diseño y análisis en ingeniería, especialmente en aplicaciones de ingeniería aeroespacial, automoción o energía, entre otros. Hoy en día, la mayoría de los códigos comerciales se basan en el método de Volúmenes Finitos (FV), con precisión de segundo orden. Sin embargo, la simulación del flujo compresible y viscoso alrededor de geometrías complejas mediante estos métodos es todavía muy cara, debido al gran número de elementos de orden bajo requeridos. Algunos fenómenos físicos sofisticados, por ejemplo en aeroacústica, presentan vórtices y turbulencias, y necesitan métodos de muy alta resolución para obtener resultados precisos. Los métodos de alto orden, con bajos errores de discretización espacial, pueden superar las deficiencias de los actuales códigos de CFD. Los métodos Galerkin discontinuos (DG) han surgido como un enfoque exitoso para problemas hiperbólicos no lineales, y son ampliamente considerados muy prometedores para la próxima generación de códigos de CFD. Su eficiencia de alto orden los hace adecuados para modelos físicos avanzados como DES (Direct Numerial Simulation) y LES (Large Eddy Simulation), mientras que su estabilidad en problemas de convención dominante es también un mérito de ellos. La compacidad de los métodos DG facilita la paralelización, y su naturaleza discontinua es también útil para la adaptabilidad. Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo de un método de alto orden, eficiente y robusto, basado en el método de elementos finitos Hybridizable Discontinuous Galerkin (HDG), para cálculos de flujo viscoso y compresible. HDG es un método novedoso, con los méritos de los métodos DG, pero con significativamente menos grados de libertad a nivel global en comparación con otros métodos discontinuos. Sus características hacen de HDG un candidato prometedor a ser investigado como una herramienta de alto orden de próxima generación para aplicaciones de CFD. La primera
Postprint (published version)