Thèse soutenue

Simulation numérique d'écoulements turbulents de gaz dense

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Auteur / Autrice : Luca Sciacovelli
Direction : Paola CinnellaFrancesco GrassoMichèle Napolitano
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Génie énergétique
Date : Soutenance le 13/12/2016
Etablissement(s) : Paris, ENSAM en cotutelle avec Politecnico di Bari. Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Gestionale (Italia)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Dynamique des Fluides (Paris) - Laboratoire de Dynamique des Fluides
Jury : Président / Présidente : Pierre Sagaut
Examinateurs / Examinatrices : Paola Cinnella, Francesco Grasso, Michèle Napolitano, René Pecnik
Rapporteurs / Rapporteuses : Jörn Sesterhenn, Christophe Corre

Résumé

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Les écoulements turbulents de gaz denses, qui sont d’un grand intérêt pour un large éventail d'applications, sont le siège de phénomènes physiques encore peu connus et difficiles à étudier par des approches expérimentale. Dans ce travail, nous étudions pour la première fois l’influence des effets de gaz denses sur la structure de la turbulence compressible à l’aide de simulations numériques. Le fluide considéré est le PP11, un fluorocarbure lourd, dont le comportement thermodynamique a été représenté à l’aide de différentes lois d’état, afin de quantifier la sensibilité des solutions aux choix de modélisation. Nous avons considéré d’abord la décroissance d’une turbulence homogène isotrope compressible. Les fluctuations de température sont négligeables, alors que celles de la vitesse du son sont importantes à cause de leur forte dépendance de la densité. Le comportement particulier de la vitesse du son modifie de manière significative la structure de la turbulence, conduisant à la formation de shocklets de détente. L’analyse de la contribution des différentes structures à la dissipation d’énergie et à la génération d’enstrophie montre que, pour un gaz dense, les régions de forte dilatation jouent un rôle similaire à celles de forte compression, contrairement aux gaz parfaits, dans lesquels le comportement est fortement dissymétrique. Ensuite, nous avons mené des simulations numériques pour une configuration de canal plan en régime supersonique, pour plusieurs valeurs des nombres de Mach et de Reynolds. Les résultats confirment la validité de l’hypothèse de Morkovin. L’introduction d’une loi d’échelle semi-locale prenant en compte le variations de densité et viscosité, permet de comparer les profils des grandeurs turbulentes (contraintes de Reynolds, anisotropie, budgets d’énergie) avec ces observés en gaz parfait. Les variables thermodynamiques, quant à elles, présentent une évolution très différente pour un gaz parfait et pour un gaz dense, la chaleur spécifique élevée de ce dernier conduisant à un découplage des effets dynamiques et thermiques et à un comportement proche de celui d’un fluide incompressible avec des propriétés variables.