Méthodes de raffinement de maillage automatique pour la simulation aux grandes échelles d'explosions de gaz

Adaptive mesh refinement methods for large eddy simulations of gas explosions

• Auteur / Autrice : Benjamin Vanbersel
• Direction : Laurent Gicquel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 05/09/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Marc Bellenoue
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Gicquel, Marc Bellenoue, Cédric Mehl, Laura Gastaldo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Tenaud, Laurent Bricteux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie

Simulation numérique directe

Mots clés libres

Explosion de gaz

LES

Adaptive

Remaillage

AMR

Gas explosion

LES

Adaptatif

Refinement

AMR

Résumé

La demande d’énergie ne cesse d’augmenter et est en grande partie obtenue grâce à la combustion, avec des carburants d’origine fossile ou renouvelable. Ces carburants, souvent stockés dans des environnements clos, présentent un danger en cas de fuite. En effet, l'inflammation d'un nuage de gaz pré-mélangé peut entraîner une explosion, provoquant une propagation rapide d'un front de flamme et générant des surpressions dangereuses pour les personnes et les infrastructures. Pour comprendre et prévenir ces explosions, diverses expérimentations sont menées, allant des tests en laboratoire aux simulations à l'échelle industrielle. Toutefois, les conditions extrêmes de température et de pression rendent les diagnostics précis difficiles à obtenir expérimentalement.La simulation numérique, notamment la simulation aux grandes échelles (LES) permet de compléter ces expérimentations en offrant une meilleure compréhension des phénomènes de combustion et de turbulence. La simulation LES a déjà prouvé son efficacité pour reproduire la dynamique des déflagrations et les surpressions associées dans des domaines de petite taille. Elle permet également des diagnostics précis à chaque point du domaine de calcul. Cependant, les grandes dimensions des installations industrielles posent des défis pour la résolution numérique complète des phénomènes physiques en jeu. La discrétisation homogène de tout le domaine de calcul serait trop coûteuse en termes de temps et de ressources. Ainsi, l'adaptation de maillage, particulièrement l'adaptation dynamique, est utilisée pour affiner la discrétisation dans les zones d'intérêt qui évoluent au fil du calcul. Cette technique permet de réduire la taille des maillages et les coûts de calcul en suivant les phénomènes d'intérêt prédéfinis durant leur propagation.Les travaux de cette thèse se concentrent sur le développement et la validation d'une méthode de raffinement adaptatif de maillage (AMR) pour les simulations LES des déflagrations, basée sur des critères physiques instantanés jouant un rôle important dans les explosions. La méthode proposée, nommée « Turbulent Flame Propagation-AMR » (TFP-AMR), reproduit la dynamique transitoire des flammes turbulentes et des structures tourbillonnaires dans l'écoulement et utilise la bibliothèque AMR non structurée kalpaTARU. Elle repose sur des critères dérivés des caractéristiques physiques des déflagrations, limitant la dépendance aux paramètres utilisateur. Un critère de sélection des vortex, issu de la théorie d'interaction flamme/vortex, et un critère spécifique d'adaptation de maillage sont développés pour garantir que les zones d'intérêt demeurent toujours dans une région de maillage raffiné tout au long du processus transitoire. La méthodologie est validée sur des cas élémentaires représentant des composantes fondamentales du problème, tels que la propagation de flamme, la propagation de vortex et l'interaction flamme-vortex.Enfin, la méthode est appliquée à des configurations de déflagrations, d’abord dans une chambre obstruée semi-confinée, puis dans un canal obstrué entièrement confiné, avec diverses variations paramétriques concernant la géométrie de la chambre et les propriétés du mélange initial. Dans ces configurations, la déflagration peut atteindre des régimes rapides, avec des formations d'ondes de choc en amont du front de flamme. Les comparaisons entre expériences et simulations démontrent que la méthode TFP-AMR obtient des résultats précis à un coût de calcul inférieur par rapport aux simulations de référence maillages statiques, en nécessitant que peu d’ajustement de paramètres, validant ainsi la robustesse et l'efficacité de la méthode pour ce type d’application.

The global energy demand continues to rise, and is largely met through combustion, using fossil or renewable fuels. These fuels, often stored in enclosed environments, pose a significant hazard in the event of a leak. The ignition of a premixed gas cloud can lead to an explosion, causing rapid flame front propagation and generating dangerous overpressures that threaten both human life and infrastructure integrity. To understand and prevent these explosions, various experiments are conducted, ranging from laboratory tests to industrial-scale simulations. However, extreme conditions of temperature and pressure make it challenging to obtain accurate diagnostics experimentally.Numerical simulation, especially Large Eddy Simulation (LES), complements these experiments by providing a better understanding of combustion and turbulence phenomena at stake. LES has already proven effective in replicating the dynamics of deflagrations and the associated overpressures in small domains. It also allows for precise diagnostics at every point within the computational domain. However, the large dimensions of industrial installations raise challenges for a complete numerical resolution of the physical phenomena involved. An homogeneous discretisation of the entire computational domain would be too costly in terms of return time and computational resources. Therefore, mesh adaptation, particularly dynamic adaptation, is used to refine the discretisation in regions of interest that evolve during the calculation. This technique helps reduce mesh size and computational costs by tracking predefined phenomena of interest during their propagation.This thesis focuses on the development and validation of an adaptive mesh refinement (AMR) method for LES simulations of deflagrations, based on instantaneous physical criteria relevant to explosions. The proposed method, called ''Turbulent Flame Propagation-AMR'' (TFP-AMR), reproduces the transient dynamics of turbulent flames and vortical structures in the flow, and relies on the unstructured AMR library kalpaTARU. The method relies on criteria derived from the physical characteristics of deflagrations, minimising reliance on user-dependent parameters. In particular, a vortex selection criterion is derived from flame/vortex interaction theory. A specific mesh adaptation triggering criterion is also developed to ensure that regions of interest remain within a refined mesh zone throughout the transient propagation process.The methodology is validated on fundamental cases representative of the essential physical bricks of the problem, such as flame propagation, vortex propagation, and flame-vortex interaction. Finally, the method is applied to deflagration configurations. A semi-confined obstructed chamber is first considered, with extensive parametric variations regarding the chamber geometry and the initial mixture properties. A fully confined obstructed channel is then considered, where deflagration can reach high-speed regimes with shock waves forming ahead of the flame front. Comparisons between experimental and simulation results demonstrate that the TFP-AMR method achieves accurate results at a lower computational cost compared to static mesh reference simulations, while requiring minimal parameter adjustments. These application cases validate the method robustness and effectiveness for such applications.