Simulations à grande échelle d'écoulements swirlés et chargés en particules à l'aide de la méthode Lattice-Boltzmann

Large scale simulations of swirling and particle-laden flows using the Lattice-Boltzmann Method

• Auteur / Autrice : Dominik Schuster
• Direction : Thierry Poinsot, Éric Climent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 13/07/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Jury : Président / Présidente : Ivana Vinkovic
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Poinsot, Éric Climent, Ivana Vinkovic, Philippe Gondret, Ulrich Rüde, Laurent Lacaze
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Sagaut, Timm Krüger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Calcul intensif (informatique)

Méthode de Boltzmann sur réseau

Modélisation CFD

Mots clés libres

Mécanique des fluides numérique

Méthode Lattice-Boltzmann

Calcul intensif

Computational fluid dynamics

Lattice Boltzmann method

High performance computing

Résumé

Depuis le développement des ordinateurs à haute performance, les simulations numériques sont devenues un outil scientifique important qui permet, grâce à la modélisation mathématique, de résoudre des problèmes physiques complexes à traiter expérimentalement. La prédiction du comportement de systèmes physiques qui ne sont pas directement observables aide à concevoir et à optimiser de nouvelles technologies. La mécanique des fluides numérique est un outil important qui nous aide à comprendre les phénomènes naturels et à dimensionner et opérer des procédés complexes d’ingénierie dans l’industrie. Avec l’augmentation continue des ressources de calcul au fur et à mesure des années, la question de savoir comment utiliser ces moyens de manière efficace, robuste et précise devient de plus en plus importante. L’amélioration des pratiques existantes implique une meilleure compréhension des mécanismes physiques sous-jacents ainsi que l’optimisation des algorithmes employées pour résoudre les équations de bilan. La méthode de Lattice-Boltzmann (LBM) est une approche mésoscopique permettant d’approximer les équations macroscopiques de conservation de la masse et de la quantité de mouvement d’un fluide. L’objectif de cette étude est d’appliquer cette approche à des simulations de grande échelle et de présenter ses performances numériques et physiques. Deux configurations principales sont examinées – un écoulement swirlé non-réactif à l’intérieur d’un injecteur et un écoulement chargé en particules autour d’un cylindre. Afin de valider les modélisations et techniques numériques retenues, nous avons conduit plusieurs tests par rapport à des prédictions théoriques, numériques et expérimentales de la littérature pour une large gamme d’écoulements allant du régime de Stokes aux écoulements turbulents. Les écoulements swirlés sont typiques des chambres de combustion aéronautiques. La configuration retenue a été choisie pour évaluer la précision et l’efficacité de trois solveurs différents de simulation des grandes structures de la turbulence. Les résultats de simulation numérique sont comparés à des résultats expérimentaux en termes de profils de vitesse moyenne et fluctuante et de perte de charge. La mise à l’échelle, c’est-à-dire la performance du code sur une grande gamme de processeurs a été caractérisée ainsi que les différences entre les différentes approches algorithmiques. Le deuxième cas d’étude est celui d’un fluide chargé en particules s’écoulant autour d’un cylindre. Ceci permet de prendre en compte l’effet d’augmentation de la viscosité effective de la suspension en fonction de la fraction volumique des particules. Ce phénomène n’apparaît en simulation numérique que si les particules sont rigides et de taille finie. Cette approximation d’un fluide diphasique en milieu équivalent est confirmée en comparant les paramètres d’écoulement globaux. En partant de particules à flottabilité neutre, la transition vers un écoulement granulaire est analysée. L’influence de l’inertie des particules est mise en évidence sur la réponse de l’écoulement en augmentant la densité relative des particules, En particulier, la contribution des collisions des particules avec le cylindre sur le coefficient de traînée pour des densités relatives variables est discutée. Pour conclure, nous avons dressé un bilan des performances de calcul mais aussi de représentativité physique des résultats.

Since the development of high performance computers, numerical simulations have evolved into an important scientific tool by means of mathematical modeling to address physical problems that are complex to handle experimentally. Predicting the behavior of physical systems which are not directly observable helps to design and optimize new technology. Computational fluid dynamics in specific aims to understand natural flow phenomena as well as to design and operate engineering processes in industry. With the continuous increase in computational power every year, the question of how to efficiently use computational resources becomes increasingly more important. Improving existing practices involves a better understanding of the underlying physical mechanisms as well as optimizing the algorithms that are used to solve them with robust and rapid numerical methods. The Lattice-Boltzmann method (LBM) is a mesoscopic approach to approximate the macroscopic equations of mass and momentum balance equations for a fluid flow. The objective of this study is to apply this concept to large scale problems and present its capabilities in terms of physical modelling and computing efficiency. As a validation step, computational models are tested against referenced theoretical, numerical and experimental evidences over a wide range of hydrodynamic conditions from creeping to turbulent flows and granular media. Turbulent flows are multi-scale flows that required fine meshes and long simulation times to converge statistics.Special care is taken to verify the fluid-solid interface for dispersed two-phase flows.Two main setups are examined – the non-reacting, swirling flow inside an injector and a particle-laden flow around a cylinder. Swirling flows are typical of aeronautical combustion chambers. The selected configuration is used to benchmark three different large eddy simulation solvers regarding their accuracy and computational efficiency. The obtained numerical results are compared to experimental results in terms of mean and fluctuating velocity profiles and pressure drop. The scaling, that is the code performance on a large range of processors, is characterized. Differences between several algorithmic approaches and different solvers are evaluated and commented. Next, we focused on particle laden flows around a cylinder as generic configuration for the interaction of a dispersed phase and flow hydrodynamic instabilities. It has been shown that the viscosity of a suspension increases relative to the particle volume fraction and for a certain range of particle material and concentration, this a fairly good model of interphase coupling. This phenomenon only occurs in numerical simulations that are able to describe finite size effects for rigid bodies. Comparing global flow parameters of suspensions at different particle volume fractions and sizes have shown that these flow features can be obtained for an equivalent single phase fluid with effective viscosity. Starting from neutrally buoyant particles the transition to granular flow is investigated. By increasing the relative density of particles, the influence of particle inertia on the equivalent fluid prediction is investigated and the contribution of particle collisions on the drag coefficient for varying relative densities is discussed. Conclusions are drawn regarding the code performance and physical representativeness of results.