Amélioration des prédictions de transfert de chaleur et de masse au niveau des parois solides dans les simulations Lattice Boltzmann des écoulements thermiques

Improvement of heat and mass transfer predictions at solid walls in Lattice Boltzmann simulations of thermal flows

• Auteur / Autrice : Guanxiong Wang
• Direction : Eric Serre, Pierre Sagaut
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique et physique des fluides
• Date : Soutenance le 05/10/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences pour l'ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique, Modélisation et Procédés Propres (M2P2) (Marseille, Aix-en-Provence)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Gourdain
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Virginie Daru
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Kuznik, Adrien Toutant
• DOI : 10.70675/480c3929z73caz4cdfz80adza676cb78f138

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique des fluides

Dynamique des fluides

Méthode de Boltzmann sur réseau

Transfert de chaleur

Modélisation CFD

Mots clés libres

Lattice Boltzmann

Condition aux limites

Condition aux limites

Perte de masse

Transfert de chaleur

Modélisation de paroi

Approximation à faible Mach

Hybride RANS/LES

Lattice Boltzmann method

Immersed boundary method

Solid wall boundary condition

Mass leakage

Heat transfer

Wall modeling

Low-Mach number approximation

Hybrid RANS/LES

Résumé

Ce travail fait partie du projet ALBUMS (Advanced Lattice-Boltzmann Understandings for Multi-physics Simulations) qui vise à promouvoir la méthode Lattice Boltzmann (LBM) aux applications industrielles réalistes à grande échelle. Conçu à l'origine comme un solveur faiblement compressible à basse vitesse, le domaine validé de LBM est étendu à l'écoulement compressible allant de la configuration bas Mach à haut Mach et régime turbulent à haut nombre de Reynolds. Cependant, le traitement des limites et sa capacité à prédire les problèmes de transfert de chaleur défient encore ses applications, en particulier en régime turbulent à nombre de Reynolds élevé avec une grande différence de température. Et le but de ce manuscrit est d'améliorer la robustesse, la précision et l'efficacité du traitement des limites du LBM ainsi que d'étendre sa capacité à prédire les problèmes de transfert de chaleur dans la limite du faible nombre de Mach. La modélisation de paroi solide et le problème de perte de masse sont premièrement étudiés. La méthode des frontières immergées à cellules coupées (IBM) basée sur la condition aux limites régularisée est adoptée en raison de ses avantages exceptionnels tels que robuste, facile à mettre en œuvre, adaptée pour traiter des géométries complexes, etc. Toutes ces propriétés sont requises dans les configurations d'ingénierie. Cette condition aux limites est évaluée à l'aide d'une méthode LB classique faiblement compressible dans un régime isotherme, tandis que la méthode LB basée sur la pression est utilisée pour traiter les régimes thermiques

This work is a part of the project ALBUMS which aims at promoting the Lattice Boltzmann method (LBM) to full scale realistic industrial applications. Originally designed as a weakly compressible solver, many attempts have been made during the last three decades to remove the scientific locks of major importance for the use of LBM.However, the solid wall modeling with the presence of turbulent boundary layer and the prediction of heat dominated flow still challenge its applications especially at high Reynolds number with large temperature differences. The purpose of this manuscript is to improve the LBM's robustness, accuracy and efficiency in the solid wall modeling as well as to extend its ability on predicting heat transfers in the limit of low-Mach number which constitute two main axes of this thesis.The solid wall modeling and mass leakage issues are firstly investigated.The cut-cell immersed boundary (IBM) method based on regularized boundary condition is adopted because of its outstanding advantages such as robust, easy to implement, suited to deal with complex geometries etc. All of these properties are required in engineering configurations.This boundary condition is evaluated using a classical weakly compressible LB method in an isothermal regime while the pressure-based LB method is employed to address thermal regimes.It's observed that significant mass leakage may occur at solid walls which degrades the accuracy of the solutions and the reliability of the simulations.In order to circumvent this problem, a spatial-temporal relaxation mass correction scheme is adopted for the simulation of isothermal turbulent flows