Développement d’une méthode Level Set pour le suivi d’interface. Application de la rupture de jet liquide

Development of a Level Set Method. Application of the break-up of liquid jet

• Auteur / Autrice : Thibault Ménard
• Direction : Alain Berlemont
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Énergétique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Rouen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Atomisation

Simulation par ordinateur

Écoulement diphasique

Méthodes d'ensembles de niveaux

Mots clés libres

Interfaces gaz-liquide

Level Set

Résumé

Ce mémoire présente des développements d’une simulation numérique directe pour l’étude de l’atomisation des jets liquides. Une méthode Level Set, pour décrire l’interface, est couplée à la méthode Ghost Fluid, pour prendre en compte les discontinuités à sa traversée. Cette approche est appliquée à l’étude des jets liquides dans le régime de Rayleigh. L’accord entre les simulations et différents résultats théoriques et expérimentaux montre l’intérêt d’une telle approche. Cependant, la méthode Level Set présente comme principale contrainte de ne pas être conservative en masse et voit son domaine d’application limité à l’étude des jets à faible vitesse. Le couplage VOF/Level Set est ici développé et permet de palier ce défaut. Ce couplage est testé dans des configurations académiques afin d’être validé et de lui apporter différentes améliorations. Le code calcul est alors appliqué à une étude sur l’atomisation d’un jet liquide haute vitesse. Des données statistiques sont extraites afin d’aider à la modélisation de l’atomisation primaire où des études ont été menées en collaboration avec des équipes développant de tels outils. Des simulations sont extraits des séquences d’images montrant différents mécanismes de formation de gouttes montrant la diversité et la complexité de ces mécanismes dans les conditions étudiées. Les limitations et les apports d’une telle approche sont finalement discutés.

This thesis presents new developments of Direct Numerical Simulation for the study of liquid jet atomization. Interface tracking is performed by a Level Set method, and the Ghost Fluid Method is used to capture accurately sharp discontinuties. It is first applied on the study of the destabilisation of liquid jet in the Rayleigh regime. Numerical simulation results show an encouraging agreement with theoretical and experimental results. However, the main drawback of the Level Set method is a possible mass loss, and it restricts the application of the method to low speed jets. A coupled VOF/Level Set is thus developped to ensure mass conservation. This method is applied at test cases to be validated and improved. A specific study is then devoted to the atomization of high speed jets. Simulations are carried out to create a data base of statistical variables and improve closure relations in atomization modelling. Atomization mechanisms and droplet formation are detailed by image analysing of simulation which show the diversity and complexity of these mechanisms in this condition. Finally advantage and drawback of the method are discussed.