Modélisation multiphasique et calcul d'interface dans les procédés de mise en œuvre des propergols

Multiphase modelling and interface capturing for numerical simulation of propergol forming processes

• Auteur / Autrice : Laurence Ville
• Direction : Thierry Coupez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique numérique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique des fluides

Modèles mathématiques

Propergols

Science des matériaux

Résumé

La motivation principale de cette thèse était de pouvoir simuler numériquement les procédés de mise en œuvre des propergols, comme le mélange et le remplissage de Booster. La viscosité de ce type de fluide implique durant la phase de remplissage l'apparition d'oscillations toroïdales caractéristiques du phénomène appelé Fluid Buckling. Ce phénomène est particulièrement difficile à représenter numériquement car l'interface entre le fluide et l'air présente une surface libre dont la complexité augmente avec le temps. C'est pourquoi, c'est cet exemple qui a été choisi pour valider l'efficacité d'une méthode numerique de représentation des surfaces libres. Nous avons pour cela choisit d'implémenter dans la librairie de calcul CimLib une méthode de type Level Set. Celle-ci a pour particularité d'effectuer l'étape de convection et l'étape de réinitialisation, indispensables à ce type de résolution, simultanément. De plus, la fonction distance a été tronquée aux alentours de l'interface à l'aide d'une fonction sinus, obtenant ainsi une fonction niveau sinusoïdale auto-déterminante. La résolution est stabilisée à l'aide d'une méthode de type SUPG. L'implémentation finale de la méthode est facilitée puisque le problème est réduit à une unique équation de convection d'une fonction Level Set Locale. Après une série de tests classiques de validation de méthode de surface libre, notre méthode a donc été validée en 2 et 3 Dimensions en simulant l'apparition du Fluid Buckling. La méthode a ensuite été implémentée dans les deux logiciels de simulation et validée sur des cas tests industriels prédéfinis de remplissage et de mélange. Les défauts obtenus numériquement correspondent à ceux attendus expérimentalement. La méthode est aujourd'hui utilisée pour simuler de nombreux autres procédés et a montré sa robustesse particulièrement dans des procédés multifluides. Afin d'optimiser la visualisation des défauts d'interfaces et de diminuer les temps de calcul, on peut envisager comme suite de ces travaux de recherche l'adaptation du maillage à proximité de l'interface et du pas de temps, le tout de façon automatique.

Improving the determination of the fluid/air interface evolution, we propose an adaptation of a Level Set method. Indeed, we avoid the reinitialization stage by including it in a transport equation model. Moreover a smooth truncation of the distance function by using a sinus filter is proposed. We stabilise the discretization scheme by using a SUPG method. The convected Level Set method created is easily implementable and shows good results as expected. In order to underline the advantages, we present numerical results on classical interface capturing benchmarks. Fluid Buckling is a phenomenon consisting in torroidal oscillations. This phenomenon appears when a high viscosity fluid flows vertically against a flat surface. This phenomenon may occur in industrial situations, like the injection molding of propergol in complex-shaped cavities. These coiling or folding oscillations appeared during the mold filling stage lead to air entrapment. To understand and control this flaw, we use our Convected Level Set method to simulate two-dimensional and three dimensional viscous jet buckling.