Contribution à l'étude numérique des interactions turbulence-transfert de masse dans les écoulements diphasiques en évaporation

Contribution to the Numerical Study of Turbulence-Mass Transfer Interactions in Evaporating Two-Phase Flows

• Auteur / Autrice : Marcos Martin Onofre Ramos
• Direction : Arnaud Mura, Zakaria Bouali
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : Serge Simoëns
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Véronique Fortuné
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Francesco Picano, François-Xavier Demoulin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence

Transfert de masse

Runge-Kutta, Méthode de

Navier-Stokes, Équations de

Lagrange, Équations de

Évaporation

Écoulement diphasique

Mots clés libres

Taux de dissipation scalaire

Interaction turbulence-scalaire

Simulation numérique directe

Scalar dissipation rate

Turbulence-scalar interaction

Direct numerical simulation (DNS)

Résumé

Dans le cas des écoulements diphasiques, et plus particulièrement dans celui de la combustion diphasique, la représentation des couplages entre mélange turbulent et transfert de masse constitue un enjeu crucial. Les processus correspondants d’évaporation et de mélange (jusqu’aux échelles moléculaires)entre le combustible et l’oxydant constituent en effet une condition préalable au développement éventuel de la réaction chimique. D’un point de vue plus général, l’étude (i) du mélange scalaire en présence d’interfaces — quelle que soit leur nature (flamme mince, onde de choc, interface liquide/gaz ou bien solide/gaz ou encore solide/liquide) — ainsi que (ii) celle de l’influence de ces interfaces sur la topologie de l’écoulement se développant à leur proximité est un domaine de recherche extrêmement actif. Quoique fondamentales les problématiques associées se révèlent essentielles pour les applications pratiques relevant aussi bien de la production d’énergie (et de la propulsion) que de l’astrophysique... Cette thèse est donc consacrée à améliorer notre compréhension de ces processus de mélange scalaire en écoulements diphasiques turbulents, en s’appuyant sur des simulations numériques directes(DNS) de turbulence diphasique homogène isotrope (TDHI) conduites pour différentes valeurs de la fraction volumique de liquide et de la tension superficielle. Les bases de données numériques sont générées à l’aide d’un code de calcul (ARCHER) qui résout la forme incompressible des équations de Navier-Stokes. Les propriétés eulériennes et lagrangiennes des champs scalaires et de vitesse issues des DNS sont analysées par le biais d’un certain nombre de quantités essentielles telles que les invariants du tenseur des gradients de vitesse, les caractéristiques d’alignement des champs scalaires et de vitesse,la vorticité, l’enstrophie, le taux de dissipation scalaire...

In the case of two-phase flows, and particularly in two-phase flow combustion, the representation of the couplings between turbulent mixing and mass transfer is a crucial issue. The corresponding processes of evaporation and mixing (up to molecular scales) between fuel and oxidizer are indeed a prerequisite for the possible development of the chemical reaction. From a more general point of view, the study of (i) scalar mixing in the presence of interfaces – whatever their nature (thin flame, shock wave, liquid/gas or solid/gas or solid/liquid) – and (ii) the influence of these interfaces on the topology of the flow developing at their location; are two extremely active areas of research. Although fundamental, the associated problems were shown to be essential for practical applications in the fields of power generation (and propulsion) as well as astrophysics ... This thesis is therefore aimed at improving our understanding of these scalar mixing processes in turbulent two-phase flows, based on direct numerical simulations (DNS) of isotropic homogeneous two-phase flow turbulence conductedfor different values of liquid volume fraction and surface tension. Numerical databases are generated using a computational code (ARCHER) that solves the incompressible Navier-Stokes equations. The Eulerian and Lagrangian properties of the scalar and velocity fields derived from DNS are analyzed by means of a number of essential quantities such as the invariants of the velocity gradient tensor (VGT), the alignment statistics of the scalar and velocity fields, vorticity, enstrophy, scalar dissipation rate, etc.