Développement de modèles numériques de tension superficielle pour la simulation d'écoulements avec interface à l'aide d'une formulation multi-fluides

Development of Surface Tension Models and Numerical Techniques for Air-Water Interface Dynamics

• Auteur / Autrice : Konstantinos Politis
• Direction : Michel Visonneau, Alban Leroyer, Patrick Queutey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Soutenance le 28/10/2016
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche en hydrodynamique, énergétique et environnement atmosphérique (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Corre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Visonneau, Alban Leroyer, Patrick Queutey, Christophe Corre, Rickard Bensow, Stéphane Popinet, George Tzabiras
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rickard Bensow, Stéphane Popinet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement (hydrologie)

Interfaces (sciences physiques)

Simulation par ordinateur

Navires de commerce

Tension superficielle

Moteurs -- Lubrification

Mots clés libres

Hydrodynamique

Tension superficielle

Simulation numérique

Modélisation géométrique

VOF

Interface air-eau

Hydrodynamics

Surface tension

Numerical simulation

Geometric modeling

VOF

Interface aireau

Résumé

Les méthodes de lubrification par injection d'air sont considérées par la communauté scientifique comme la principale percée technologique à venir pour la réduction de la trainée des navires de commerce. A cette fin, il est impératif de modéliser finement les phénomènes physiques en jeu dans la lubrification par injection d'air, qui intègrent la représentation précise de la tension superficielle, des instabilités d'interface et des écoulements avec entraînement d'air. Au cours de ce travail, nous nous sommes attachés au développement d'outils de programmation, de schémas de reconstruction d'interface et de modélisations de tension superficielle dans le code de calcul ISIS-CFD. Deux nouvelles méthodes de calcul de la tension superficielle sont présentées. Elles utilisent un schéma de reconstruction globale de l'interface et sont couplées avec les schémas de discrétisation compressifs de la fraction volumique utilisés dans la formulation volumes finis non structurés sur laquelle est basé le code ISIS-CFD. Les résultats démontrent que des interactions dynamiques complexes, d'une ou plusieurs interfaces, peuvent être modélisées de façon précise. Ce travail permet d'envisager la réalisation ultérieure de calcul d'écoulements sur des navires lubrifiés par injection d'air, d’améliorer la compréhension physique et de contribuer à la modélisation macroscopique de modèles d'entraînement.

Air Lubrication methods are regarded by the scientific community as the next major technological breakthrough in Naval Engineering to achieve the reduction of drag in commercial vessels. The accurate modeling of the physical phenomena governing the drag reduction mechanisms of Air Lubrication methods, namely, the dynamics of surface tension, the instabilities of the air-water interfaces and air entrainment, are imperative for the design of air-lubricated hulls. To that end, we have implemented to ISIS-CFD several programming tools, interface reconstruction schemes and surface tension modeling. Two new surface tension methods were developed. Both use a global interface reconstruction scheme and are coupled with the compressive discretization volume fraction schemes for the unstructured finite volume formulation that the flow solver ISIS-CFD is based on. The results demonstrate that complicated dynamic interactions of either a single or multiple interfaces can be accurately captured. In the context of a future research study, the proposed approaches could lead to the further enhancement of the modeling capabilities of ISISCFD by introducing a macroscopic air entrainment model and eventually the assessment of different physical effects encountered in lubricated naval vessels using ISIS-CFD.