Development of a CFD toolbox (MERLIN) to test modelling strategies in engineering : application to the simulation of large scale (industrial) explosions

par Habib Ouahouélé Kone

Thèse de doctorat en Génie des Procédés : Transformations intégrées de la matière renouvelable (EA-4297)

Sous la direction de Christophe Proust et de Steven Kerampran.

Soutenue le 19-12-2018

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) , en partenariat avec Transformation Intégrée de la Matière Renouvelable / TIMR (laboratoire) .

mots clés

• Mécanique des fluides numériques (CFD)
• Méthodes numériques
• Programmation informatique
• Vérification
• Validation
• Logiciel MERLIN
• Modélisation CFD
• Mécanique des fluides
• Turbulence
• Ondes de choc
• Tubes à choc
• Combustion
• Thermochimie
• Risques industriels
• Simulation par ordinateur
• Reynolds, Nombre de
• Simulation des grandes échelles
• Modèles mathématiques
• Navier-Stokes, Équations de
• Explosions

Titre traduit

Développement d’une boîte à outils CFD (MERLIN) pour tester les stratégies de modélisation en ingénierie : application à la simulation d’explosions (industrielles) à grande échelle

Résumé

L’utilisation des logiciels CFD (Computational Fluid Dynamics) pour la prédiction numérique d’expériences difficiles telles que les conséquences des explosions de gaz en milieux industriels reste un enjeu majeur en génie des procédés. A partir de l’état de l’art dans ce domaine de recherche où des résultats de simulations numériques ont été comparés à des résultats expérimentaux valides, on conclut que ces logiciels ne peuvent pas contribuer à améliorer la sécurité (les écarts entre résultats expérimentaux et résultats numériques ont été comparés à des résultats expérimentaux valides, on conclut que ces logiciels ne peuvent pas contribuer à améliorer la sécurité (les écarts entre résultats expérimentaux et résultats numériques sont importants). Cependant, au vu des potentialités que regorge le domaine de la mécanique des fluides numériques (CFD), il serait sans doute déraisonnable de la marginaliser dans les études de danger. Cette thèse a contribué à définir des stratégies d’estimation des conséquences des explosions par la CFD. Une partie des travaux réalisés a consisté à déterminé les équations, techniques, modèles et méthodes les plus fréquents dans les logiciels CFD les plus utilisés (dans le cadre d’études de prédiction des conséquences d’une explosion en milieux industriels). La technique URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes) a été retenue pour la résolution numérique des lois fondamentales de la mécanique des fluides. Le modèle de turbulence k-epsilon ainsi qu’une de ses variantes (le modèle k-epsilon à bas nombre de Reynolds) ont été sélectionnés pour la simulation de la turbulence. La modélisation des écoulements réactifs est effectuée en utilisant le modèle CREBCOM (CRiteria and Experimentally Based COmbustion Model) et le modèle EDM (Eddy Dissipation Model). La méthode des volumes finis a été utilisée pour al discrétisation des équations continues (les lois de la mécanique des fluides ainsi que les modèles de turbulences et de combustion qui y sont associés). Les termes convectifs de ces équations sont résolus à l’aide du schéma numérique de Roe et celui de Van-Leer. La discrétion des termes diffusifs a été effectuée en utilisant des schémas centrés classiques. Les termes instationnaires sont résolus à l’aide de la méthode d’Euler explicite. Les maillages sélectionnés sont de type Voronoï et de types structurés redécoupés utilisant la technique AMA (Anisotropic Mesh Adapatation). Les conditions aux limites retenues sont principalement de type Dirichlet et de type Neumann. Pour aller au-delà des aspects utilisateurs et avoir une parfaite maîtrise du logiciel utilisé (seuls gages d’une bonne analyse des contenus physiques et mathématiques des outils CFD), un logiciel CFD baptisé MERLIN a été intégralement développé. Il contient toutes les équations, techniques, modèles et méthodes sélectionnés préalablement et a été utilisé pour l’ensemble des simulations numériques effectuées dans cette thèse. Afin d’assurer la fiabilité des expériences réalisées avec MERLIN, sa vérification a été effectuée en utilisant la méthode MMS (The Method of Manufactured Solutions). Pour comprendre la représentation numérique des phénomènes physiques associés au phénomène de l’explosion, on a dans un premier temps réalisé une étude portant sur la propagation d’onde de choc dans différentes configurations (cas subsonique du problème du tube à choc, réflexion d’un choc instationnaire sur une rampe compression, écoulement supersonique sur une marche montante). Il en résulte que la précision d’une prédiction numérique d’onde de choc dépend du schéma numérique et du type de maillage utilisés. Le choix du schéma numérique et du type de maillage dépend du type d’onde de choc à simuler numériquement. La seconde étude réalisée a consisté à simuler la dispersion de gaz.

mots clés

• Computational fluid dynamics (CFD)
• Explosions
• Shock waves
• Shock tubes
• Numerical methods
• Turbulence
• Combustion
• Computer programming
• Computer simulation
• Large eddy simulation
• Reynolds number
• Navier-Stokes equations
• Verification
• Validation
• Industrial risks

Résumé

The use of CFD (Computational Fluid Dynamics) software for the numerical prediction of difficult experiments such as the consequences of gas explosions in industrial environments remains a major challenge in process engineering. From the state of the art in this area of research where numerical simulation results have been compared to valid experimental results, it is concluded that these software can not contribute to improve safety (the differences between experimental results and numerical results are important). However, given the potentiality of the field of Computational Fluid Dynamics, it would probably be unreasonable to marginalize it in hazard studies. This thesis helped to define strategies for estimating the consequences of explosions by CFD. Part of the work carried out consisted in determining the most common equations, techniques, models and methods in the most used CFD software (in the framework of study concerning the prediction of the consequences of an explosion in industrial environments). The URANS technique (Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes) was chosen for the numerical resolution of the fundamental laws of fluid mechanics. The kepsilon turbulence model and one of its variants (the low Reynolds number kepsilon model) were selected for the turbulence simulation. The modeling of reactive flows is established using the CREBCOM model (CRiteria and Experimentally Based COmbustion Model) and the EDM model (Eddy Dissipation Model). The finite volume method has been used for the discretization of continuous equations (the laws of fluids mechanics and associated turbulence and combustion models). The convective terms of these equations are solved using the numerical scheme of Roe and that of Van-Leer. The discretization of the diffusive terms was carried out using classical centered schemes. The unsteady terms are solved using the explicit Euler method. The selected meshes are of type Voronoi and of type structured and re-cutting using the AMA technique (Anisotropic Mesh Adaptation). Boundary conditions used are mainly Dirichlet type and Neumann type. To go beyond the user aspects and have a perfect control of the software used (only pledges of a good analysis of the physical and mathematical content of CFD tools), a CFD software called MERLIN has been fully developed. It contains all the equations, techniques, models and methods selected previously and was used for all numerical simulations performed in this thesis. In order to ensure the reliability of the experiments performed with MERLIN, its verification was carried out using the MMS (The Method of Manufactured Solutions) method. To understand the numerical representation of the physical phenomena associated with the phenomenon of the explosion, we first carried out a study on shock wave propagation in different configurations (subsonic case of the Sod’shock tube problem, reflection of an unsteady shock on a compression ramp, supersonic flow on a rising step). As a result, the accuracy of a shock wave structure predicted numerically depends on the numerical scheme and the type of mesh used. The choice of the numerical scheme and type of mesh depends on the type of shock wave to be simulated numerically. The second study performed consisted in simulating the dispersion of gas. This numerical experiment revealed that a good numerical approximation of gas dispersion is independent of the numerical scheme chosen but rather relies on the turbulence model and the type of mesh used. The choice of the turbulence model is relative to the presence or not of confinement and the type of mesh depends on the flow. The last study carried out concerns the simulation of flame propagation in different configurations (confined and unconfined environments, with and without obstacles). It demonstrates that the accuracy of a numerical prediction of the flame behavior flame is based on the choice of the combustion model and the type of mesh.