Développement d'une méthode de suivi d'interface. Applications aux écoulements diphasiques

Interface tracking method. Two-phase flows applications

• Auteur / Autrice : Sébastien Tanguy
• Direction : Alain Berlemont
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Rouen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences physiques mathématiques et de l'information pour l'ingénieur (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime....-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gouttes

Atomisation

Interfaces gaz-liquide

Simulation

Écoulement diphasique

Mots clés libres

Ensemble de niveaux

Résumé

L'étude des mécanismes de formation d'un spray à partir d'un écoulement liquide-gaz est un sujet de recherche fondamental, et dont les applications industrielles sont nombreuses, notamment dans le domaine de la combustion et de la propulsion. La simulation numérique de tels écoulements apparaît comme un complément indispensable aux expériences et aux théories pour aboutir à une compréhension et à une prédiction fine de tels phénomènes physiques. Durant cette étude, nous avons développé une technique numérique de suivi d'interface couplée à un solveur des équations de Navier-Stokes afin d'étudier précisément la dynamique de l'interface qui sépare la phase liquide de la phase gazeuse. Nous décrivons en détail la méthode Level Set qui a été utilisée durant cette étude pour suivre le mouvement de l'interface, ainsi que les techniques numériques utilisées pour la résolution des équations de Navier-Stokes. Notamment différents schémas numériques sont testés pour que la précision du code de calcul développé soit optimal. Le couplage entre les équations du mouvement et le suivi d'interface peut être effectué par différentes techniques. L'utilisation de la Ghost Fluid Méthod pour réaliser ce couplage permet de préserver numériquement le caractère discontinu de l'interface liquide-gaz tout en proposant une discrétisation des équations précises et robustes. Les codes développés (2D, 3D parallélisation MPI) sont ensuite utilisés pour étudier des collisions de gouttes. Les comparaisons entre les résultats expérimentaux et les simulations numériques sont très probantes et mettent en valeur la prédictibilité des calculs effectués. D'autres configurations plus complexes sont étudiées dans le cadre d'une étude de faisabilité. L'étude de l'atomisation primaire d'un jet liquide continu en un spray de gouttelettes semble notamment être un domaine d'investigation particulièrement prometteur pour ce type de simulations. Enfin l'étude d'interfaces dites ''réactives'' comme la vaporisation d'un liquide et la propagation de flammes prémélangées a également été abordé en utilisant la Ghost Fluid Method pour imposer les conditions de saut spécifiques à ce type de phénomènes.

Spray formation mechanisms study from a liquid-gas flow is a fundamental research subject, which industrial applications are large, especially in combustion and propulsion field. Numerical simulation of such flows appear as an essential complement to experimental and theoretical studies, for comprehension and accurate prediction of such physical processes. In this study we developed a numerical interface tracking technique with a Navier-Stokes solver to study accurately the liquid-gas interface dynamics. We describe Level Set method which has been used to track interface motion, and numerical methods for solving Navier-Stokes equations. Different numerical schemes have been tested to improve the computation accuracy. Ghost Fluid Method enables a robust and accurate treatment of discontinuities across the liquid-gas interface. The codes developed (2D, 3D, parallelisation MPI) are then used to study droplets collisions. Comparisons with experimental results show that simulations are realistic and predictive. Next, feasibility studies are done on more complex configurations. Droplets spray formation from primary atomisation of a liquid jet seems to be especially a promising investigation field for such simulations. Finally, reactive interfaces propagation, as liquid vaporisation and premixed combustion have also been studied using Ghost Fluid Method to impose specific jump conditions.