Analysis and Modelling of induced-turbulence in two-phase flows

par Alessio Innocenti

Thèse de doctorat en Sciences Mécaniques, Acoustique, Electronique et Robotique

Sous la direction de Sergio Chibbaro et de Maria Vittoria Salvetti.

Le président du jury était Jacques Magnaudet.

Le jury était composé de Stéphane Popinet, Paolo Gualtieri, Alessandro Mariotti.

Les rapporteurs étaient Dominique Legendre, Carlo Massimo Casciola.

  • Titre traduit

    Analyse et modélisation de la turbulence induite dans des écoulements diphasiques


  • Résumé

    La présente thèse porte sur l’étude et la modélisation des écoulements turbulents diphasiques avec un intérêt particulier pour les mécanismes de turbulence induite par une phase dispersée. L’objectif est de proposer des modèles réduits d’intérêt pour les applications et de comprendre la physique à la base du problème à travers de simulations numériques directes (DNS). Ce travail se compose de deux parties. Dans la première partie l’attention est portée sur les écoulements gaz-particules solides de petite taille en suivant une approche eulérienne (pour le fluide) - lagrangienne (pour les particules). Nous avons proposé un modèle lagrangien stochastique pour le suivi des particules dans un champ de vitesse à grandes échelles (Large-Eddy-Simulation) dans le cas d’écoulements dilués, c’est à dire où la concentration des particules est petite et on peut négliger l’effet des particules sur le fluide. Le modèle a été testé pour un canal plan turbulent avec des résultats très proches de la DNS. Ensuite nous avons proposé un modèle pour les écoulements denses (fraction de masse de la phase solide dispersée élevé), avec un couplage de type “two-way”, avec la prise en compte des collisions d’un point de vue statistique. Dans le modèle, nous avons choisi de séparer la vitesse des particules dans une composante spatialement corrélée et un résidu décorrelé, et cela nous a permis de considérer correctement l’effet des collisions et de définir différents temps caractéristiques, essentiels pour modéliser les deux différentes parties. Ce modèle a été testé et validé dans plusieurs cas homogènes et non-homogènes, avec un intérêt particulier pour la turbulence induite par les particules (Cluster-Induced-Turbulence). La deuxième partie est consacrée à l’étude du mouvement de remontée des bulles gazeuses dans un liquide. Tel problème a été traité avec un code numérique (Basilisk) qui résout les deux fluides ainsi que l’interface avec une méthode “Volume-Of-Fluid”. En utilisant une configuration périodique avec une seule bulle, afin de valider le code numérique, différents cas de la littérature ont été analysés. L’attention a été consacrée d’abord sur plusieurs problèmes techniques, comme les critères pour le raffinement local du maillage adaptatif et le rapport entre les densités des deux fluides. Ensuite nous avons étudié une configuration de colonne de bulles, caractérisée par une couche avec une fraction volumique élevé de bulles, posés initialement sur le fond d’un réservoir et qui, grâce à la force de flot- tabilité, remontent dans le fluide. Avec une étude des spectres et des PDFs nous avons caractérisé les fluctuations induites par les bulles dans le fluide.


  • Résumé

    The present thesis deals with the study and modeling of turbulent two-phase flows and in particular with the mechanisms of turbulence production by a dispersed phase. The objective is to propose reduced models for practical applications and to understand the underlying physics thanks to direct numerical simulations (DNS). The first part covers gas-solid particles flows with a Eulerian (for the fluid) – Lagrangian (for particles) approach. We have proposed a stochastic model for tracking particles in a turbulent Large-Eddy velocity field (LES) in dilute flows, with results very close to DNS. When the mass fraction of the particle phase is significant (dense flows) the effect of the particles on the fluid is accounted for with a two-way coupled stochastic model for the particles, which considers also particle collisions, in a Reynolds-Average equations context (RANS). This model has been tested and validated in different homogeneous and non-homogeneous cases, and in a Cluster Induced Turbulence configuration. The second part focuses on the study of the upward motion of bubbles in a liquid. The numerical code (Basilisk) that we have used has been validated with periodic configurations against different literature studies. We have then investigated several technical problems, like the criteria for the local refinement of the adaptive mesh and the density ratio of the two fluids. Finally, we have studied a bubble column configuration in two and three dimensions, analyzing the spectra and PDFs to describe the fluctuations induced by the bubbles in the liquid.


  • Résumé

    La presente tesi concerne lo studio e la modellizzazione di flussi turbolenti bifase, con particolare interesse ai meccanismi di turbolenza indotta dalla fase dispersa. L’obiettivo è di proporre modelli ridotti di interesse applicativo e di comprendere la fisica alla base del problema attraverso delle simulazioni numeriche dirette (DNS). Il lavoro si articola in due parti. Nella prima parte l’attenzione è stata posta su flussi gas-particelle solide di piccola taglia seguendo un approccio Euleriano (per il fluido) - Lagrangiano (per le particelle). È stato proposto un modello stocastico Lagrangiano per il tracciamento di particelle all’interno di un campo di velocità a grandi scale (Large-Eddy-Simulation) nel caso di flussi diluiti, ovvero laddove la concentrazione di particelle è bassa e può quindi essere trascurato l’effetto delle particelle sui fluid. Tale modello è stato testato in un canale piano turbolento con risultati molto vicini a quelli della DNS. Successivamente è stato proposto un modello per flussi densi (elevata frazione di massa della fase solida dispersa), con accoppiamento di tipo “two-way”, considerando da un punto di vista statistico anche le collisioni tra particelle. In tale modello è stata introdotta la novità di separare la velocità delle particelle in una componente spazialmente correlata e un residuo scorrelato, che ha permesso di considerare correttamente l’effetto delle collisioni e di definire diversi tempi caratteristici, fondamentali per modellizzare i due diversi con- tributi. Tale modello è stato testato e validato in diversi casi omogenei e non-omogenei, con particolare interesse per il problema di turbolenza indotta dalle particelle (Cluster- Induced-Turbulence). La seconda parte è incentrata sullo studio del moto di risalita di bolle gassose all’interno di un liquido. Tale problema è stato affrontato con un codice numerico (Basilisk) che risolve i due fluidi e l’interfaccia con un metodo “Volume-Of-Fluid”. Utilizzando una configurazione periodica con una singola bolla, al fine di validare il codice numerico, sono stati analizzati diversi casi di riferimento della letteratura. È stata posta l’attenzione su alcuni problemi tecnici, quali i criteri per il raffinamento locale della griglia adattiva e il rapporto delle densità dei due fluidi. Infine è stata studiata la configurazione della colonna di bolle caratterizzata da uno strato ad alta concentrazione volumica di bolle posto inizialmente sul fondo di un recipiente e che per effetto della forza di galleggiamento risale all’interno del liquido. Particolare enfasi è stata posta nello studio delle fluttuazioni indotte dalle bolle nel liquido, analizzando spettri e PDFs.


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