Modelling fire-induced flows using Lattice Boltzmann methods

• Auteur / Autrice : Mostafa Taha
• Direction : Pierre Boivin, Aymeric Lamorlette, Jean-Louis Consalvi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique et physique des fluides
• Date : Soutenance le 10/03/2023
• 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 : Olivier Vauquelin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lucie Merlier, Bart Merci
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bénédicte Cuenot, Arnaud Trouvé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Feu

Turbulence

Méthode de Boltzmann sur réseau

Dynamique des fluides

Mots clés libres

Lbm

Ecoulements flottants

Combustion

Feu

Turbulence

Les

Lbm

Buoyant flows

Combustion

Fire

Turbulence

Les

Résumé

En raison de leur coût de calcul attractif, leurs capacités pour le calcul massivement parallèle, et la facilité à traiter des géométries complexes en utilisant des maillages cartésiens à plusieurs niveaux, les méthodes de Boltzmann sur réseau (LBM) ont connu un intérêt accru dans les domaines universitaire et industriel lors de la dernière décennie. Dans ce travail de doctorat, et pour la première fois, une méthode de Boltzmann sur réseau hybride à base de pression est développée pour simuler des écoulements contrôlés par les forces de flottabilité caractéristiques des incendies avec haute fidélité. Les formulations compressibles et à faible nombre de Mach sont considérées et sont couplées avec des modèles de turbulence et de combustion à l’état de l’art afin de prédire correctement le comportement instationnaire et les caractéristiques de ces écoulements. Après validation, le modèle LBM est appliqué à la simulation aux grands échelles (LES) des champs proche et lointain de panaches contrôlés par les forces de flottabilité. La LES de la région de type panache (c.-à-d. champ lointain) montre la capacité du modèle à reproduire les caractéristiques de la région de champ lointain d’un panache forcé. La simulation d’un panache d’hélium de grande taille est ensuite effectuée pour évaluer la capacité du modèle à reproduire la dynamique de la région en champ proche. Enfin, une simulation aux grandes échelles d’un feu de méthane à grande échelle a été réalisée. Ces cas de test ont montré que le modèle LBM développé est entièrement capable de simuler les écoulements associés à des applications incendie et ce à un coût de calcul inférieur aux solveurs classiques de Navier-Stokes

Due to their attractive computational cost, their capacities for massively parallel computing, and the ease to deal with complex geometries using multi-level Cartesian grids, Lattice Boltzmann methods (LBM) have attracted growing interest both in the academic and industrial spheres in the past decade. In this Phd work, and for the first time, a pressure-based hybrid LBM is developed to simulate with high fidelity buoyant flows characteristics of unwanted fires. Both compressibleand low-mach formulations are considered and are coupled with state-of-the-art turbulence and combustion models in order to correctly predict the unsteady behavior and characteristics of such flows. After validation, the LBM model is applied to Large Eddy Simulation (LES) of the near and far fields of buoyant plumes. The LES of plume-like region (i.e. far-field) shows the capability of the model to reproduce the characteristic behavior of the far-field region of a forced plume. The LES of large helium plume is then performed to assess the capability of the model to reproduce the dynamics of the near-field region. Having a well resolved grid at the base of the plume is crucial to capture the formation of buoyancy driven instabilities that grow to generate the buoyancy-generated turbulence and govern the plume dynamics. Finally, LES of a large-scale methane fire was performed by using the Eddy dissipation concept (EDC) as combustion model and a simplified radiant fraction-based radiation model. These test cases showed that the developed LBM model is fully capable of simulating with buoyant flows associated with fire applications at lower computational cost than classical solvers of Navier-Stokes