[en] Multiphysics modelling is concerned with systems that couple multiple physical phenomena
(mechanics, heat transfer, electromagnetism, hydrodynamics, . . . ) as well as with the interaction
between multiple individual components. Multiphysics modelling is interested in finding
efficient numerical methods to deal with the coupling between the different components of
a complex system. Interest in multiphysics simulations is steadily increasing as numerous
current scientific problems involve multiple physical components. Among current issues, icesheet
and glacier numerical models have become essential to predict the evolution of ice sheets
as a result of global warming. Ice flow is usually described as a gravity-driven creep flow of
a nonlinearly viscous fluid. Detailed glacier models need to account for temperature dependence
of ice viscosity, which leads to a thermomechanical coupled model for ice flows. This
final-year project addresses the analysis of a stationary thermomechanical glacier model as an
example of a multiphysics problem. The goal will be to provide a physical, mathematical and
numerical framework for future development in glaciology and in multiphysics simulations
more generally. Thus this thesis is divided into three main parts. The first part addresses the
physical description and modelling of glaciers. The second part is devoted to the theoretical
study of numerical methods for the mechanical and thermal problems. Classical finite element
methods will be presented as well as new research perspectives. The third part is concerned
with the application of these multiphysics methods to an alpine glacier model. This third part
highlights the importance of tightly coupled methods as new opportunities for multiphysics
simulations. [fr] La modélisation multiphysique s’intéresse au couplage entre différents phénomènes physiques
(mécanique, thermique, électromagnétique, hydrodynamique, . . .) ou encore à l’interaction
entre différentes composantes individuelles. Celle-ci tend à proposer des stratégies de résolution
efficaces pour tenir compte des difficultés liées au couplage entre différentes composantes
d’un système complexe. La modélisation multiphysique connaît un intérêt sans cesse croissant,
car de nombreux problèmes actuels qui intéressent la communauté scientifique sont décrits
à partir de différentes composantes monophysiques. Parmi ces problématiques actuelles se
trouvent l’étude et la modélisation de l’écoulement des glaciers. L’écoulement de la glace est
traditionnellement étudié à partir d’un modèle thermomécanique couplé qui décrit l’écoulement
d’un fluide visqueux non linéaire soumis à la gravité et dont la viscosité dépend de
manière importante de la température. À partir de cet exemple physique concret, l’objectif
de ce travail de fin d’études sera d’établir les fondements physiques, mathématiques et
numériques sur lesquels pourraient reposer des études ultérieures dans le domaine de la glaciologie
et plus généralement dans le cadre de la simulation multiphysique. Pour atteindre
cet objectif, ce travail se divisera en trois parties principales. La première partie abordera la
description et la modélisation physiques des glaciers. La deuxième partie est consacrée à une
étude théorique des méthodes numériques utilisées pour résoudre les problèmes mécanique et
thermique individuels. Les méthodes classiques de résolution par éléments finis seront présentées
ainsi que de nouvelles perspectives de recherches. La troisième partie s’intéresse à
l’application de méthodes numériques multiphysiques au cas d’un glacier alpin modèle. Les
méthodes numériques traditionnelles sur lesquelles sont construites les nouvelles méthodes
multiphysiques seront présentées théoriquement et comparées au moyen de simulations numériques.
Cette troisième partie mettra en évidence le potentiel des méthodes fortement couplées
comme moyen efficace pour la résolution de problèmes multiphysiques.
Disciplines :
Physical, chemical, mathematical & earth Sciences: Multidisciplinary, general & others
Author, co-author :
Bulthuis, Kevin ; Université de Liège - ULiège > Département d'aérospatiale et mécanique > Computational and stochastic modeling
Language :
French
Title :
Modélisation multiphysique de l'écoulement des glaciers : analyse et résolution numérique d'un problème couplé non linéaire
Alternative titles :
[en] Multiphysics modelling of glacier flow: analysis and numerical solution of a nonlinear coupled problem
Defense date :
22 June 2015
Number of pages :
v,133
Institution :
ULiège - Université de Liège
Degree :
Master Ingénieur Civil Physicien à finalité approfondie
Promotor :
Arnst, Maarten ; Université de Liège - ULiège > Aérospatiale et Mécanique (A&M)
President :
Vanderheyden, Benoît ; Université de Liège - ULiège > Montefiore Institute of Electrical Engineering and Computer Science
Jury member :
Boman, Romain ; Université de Liège - ULiège > Aérospatiale et Mécanique (A&M)
Geuzaine, Christophe ; Université de Liège - ULiège > Montefiore Institute of Electrical Engineering and Computer Science