Une méthode d'interface raide pour écoulement diphasique à faible nombre de Mach avec le changement de phase

A sharp interface method for low Mach two-phase flows with phase change

• Auteur / Autrice : Ziqiang Zou
• Direction : Christian Tenaud, Edouard Audit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 07/12/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Maison de la simulation (Gif-sur-Yvette , Essonne ; 2011-....) - Laboratoire d'informatique pour la mécanique et les sciences de l'ingénieur (Orsay, Essonne ; 1972-2020)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Patrick Le Quéré
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Le Touzé, Jean-Luc Estivalèzes, Virginie Daru
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Le Touzé, Jean-Luc Estivalèzes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transitions de phases

Mach, Nombre de

Compressibilité

Écoulement diphasique

Mots clés libres

Changement de phase

Écoulement diphasique compressible

Correction à faible nombre de Mach

Interface raide

Phase change

Compressible two-phase flow

Sharp interface

Low Mach correction

Résumé

Une approche d'interface raide est présentée pour le calcul des écoulements diphasiques avec tension superficielle et changement de phase en régime à faible nombre de Mach. Pour développer un tel modèle, où de légers effets compressibles sont pris en compte ainsi que des fermetures thermodynamiques correctes, le liquide et le gaz sont considérés comme compressibles et décrits par un solveur compressible précis. Ce solveur compressible adopte une technique de décomposition appelée "décomposition du transport acoustique" qui décompose le système Euler en deux parties: acoustique et transport. Sur la base du sous-système acoustique, un solveur de Riemann approximatif qui tient compte des effets de tension superficielle et de changement de phase est développé. L'interface de l'écoulement diphasique est capturée par la méthode de Level Set et considérée comme raide. La problème de la capture d'interface de la méthode Level Set dans le cadre Eulérien est le point clé des simulations d'écoulement diphasique, et dans ce travail, nous proposons et adoptons des approches d'ordre élevé pour l'advection de l'interface, la redistanciation et l'estimation de la courbure. En régime à faible nombre de Mach, les solveurs compressibles conventionnels perdent en précision et une correction à faible Mach est alors nécessaire pour réduire la dissipation numérique. Pour une méthode d'interface raide, l'interface est traitée comme la discontinuité de contact via la méthode Ghost Fluid. Sans une région lisse à l'interface, une telle discontinuité existant à l'interface présente un énorme défi pour la conception d'un schéma numérique. La correction à faible Mach bien connue dans la littérature pourrait conduire à une erreur de troncature significative, en particulier pour les écoulements diphasiques avec de grands rapports de densité et de vitesse du son. Pour retrouver une bonne propriété de préservation asymptotique, nous proposons une nouvelle correction à faible Mach avec une analyse asymptotique rigoureuse. Plusieurs cas de test numériques ont été utilisés pour valider la présente approche numérique et montrer ses bonnes performances.

A sharp interface approach is presented for computing two-phase flows with surface tension and phase change in low Mach regime. To develop such a model, where slight compressible effects are taken into account as well as correct thermodynamical closures, both the liquid and the gas are considered compressible and described by a precise compressible solver. This compressible solver adopt a splitting technique called "acoustic-transport splitting" which splits the Euler system into two parts: acoustic and transport. Based on the acoustic subsystem, an approximate Riemann solver that accounts for surface tension and phase change effects is developed. The interface between two-phase flows is captured by the Level Set method that is considered to be sharp. The interface capturing issue of the Level Set method within the Eulerian framework is the key point of the two-phase flow simulations, and in this work we propose and adopt high-order approaches for interface advection, redistancing and curvature estimation. In low Mach regime, conventional compressible solvers lose accuracy and a low Mach correction is then necessary to reduce the numerical dissipation. For a sharp interface method, the interface is treated as the shock-wave contact discontinuity via the Ghost Fluid method. Without a smooth region at the interface, such discontinuity existing at the interface presents a huge challenge to the design of a numerical scheme. The well-known low Mach fix in literature could lead to significant truncation error, especially for two-phase flows with large density and sound speed ratios. To recover a good asymptotic-preserving property, we propose a new low Mach correction with rigorous asymptotic analysis. Several numerical test cases have been employed to validate the present numerical approach and enlighten its good performance.