Etude numérique de la dynamique de poches de cavitation sur une configuration de type Venturi

Numerical investigation of sheet cavitation dynamics on a Venturi configuration

• Auteur / Autrice : Camille Gouin
• Direction : Jean-Christophe Robinet, Éric Goncalves
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux (AM)
• Date : Soutenance le 20/12/2021
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Dynamique des Fluides (Paris) - Laboratoire de Dynamique des Fluides (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Le Corre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Robinet, Matevž Dular, Henda Djeridi, Olivier Coutier-Delgosha, Jean Decaix, Wilfrid Eric Goncalves, Carlos Junqueira Junior
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matevž Dular

Mots clés

Mots clés contrôlés

Solveurs linéaires parallèles

Résistance des matériaux

Cavitation

Mots clés libres

Cavitation

Modèles URANS

Modèles hybrides RANS/LES

Modèles 1-Fluide

Solveur compressible

Spod

Cavitation

URANS model

RANS/LES approach

One-Fluid models

Compressible solver

Spod

Résumé

Le présent manuscrit de thèse propose une étude de la dynamique de poche de cavitation par la réalisation de simulations numériques. La cavitation est un phénomène qui apparaît dans de nombreuses applications et peut entraîner des problèmes conséquents tels que la détérioration des matériaux, une baisse de rendements ou encore la génération de bruits. Un certain nombre de caractéristiques importantes de l'écoulement, telles que la topologie complexe de la poche de vapeur ainsi que sa dynamique, nécessitent d'être étudiées minutieusement. C'est pourquoi, la dynamique de l'écoulement cavitant, observée dans la géométrie d'un Venturi 3-D, et ses interactions avec les parois latérales sont étudiées numériquement. Dans un premier temps, une validation du code est proposée à partir de cas non-cavitant et cavitant. Puis, des simulations sont conduites en utilisant un solveur mono-fluide compressible de type RANS associé à un modèle non linéaire de turbulence ainsi qu'une équation de transport du taux de présence de la phase vapeur. Une analyse détaillée de l'écoulement cavitant est menée à partir d'outils innovants tels qu'une SPOD (spectral proper orthogonal decomposition). Une attention particulière est apportée à l'étude des effets tridimensionnels en comparant les résultats de calculs menés avec et sans parois latérales. Une dynamique tridimensionnelle de la poche de cavitation, non reliée à la présence de parois latérales, est identifiée. Son lien avec les mécanismes fondamentaux impliqués dans la cavitation par poche est discuté.Par la suite, plusieurs méthodes hybrides RANS/LES sont étudiées sur un cas non cavitant possédant une configuration se rapprochant de celle du Venturi. Cette étude a pour but de sélectionner la méthode hybride RANS/LES la plus adéquate à la simulation de la cavitation par poches.

The present PhD thesis aims at studying sheet cavitation dynamics by carrying out numerical simulations. This phenomenon appears in many hydraulic applications and can lead to technical issues, such as material degradations, performance reduction or noise generation. Some significant outcomes, such as the complex topology of three-dimensional cavitation pockets and their associated dynamics, need to be carefully visited. Therefore, the dynamics of partial cavitation developing in a 3-D Venturi geometry and the interaction with sidewalls are numerically investigated. In the first instance, software validation is proposed on non-cavitating and cavitating cases. Then, simulations are performed using a one-fluid compressible Reynolds-Averaged Navier–Stokes (RANS) solver associated with a non-linear turbulence model and a void ratio transport-equation model. A detailed analysis of this cavitating flow is carried out using innovative tools such as Spectral Proper Orthogonal Decompositions (SPOD). Particular attention is paid to the study of 3-D effects by comparing numerical results obtained with sidewalls and periodic conditions. A three-dimensional dynamics of the sheet cavitation, unrelated to the presence of sidewalls, is identified. The link between the mechanisms involved in sheet cavitation, such as the re-entrant jet and the vapour pocket behaviour, is discussed. The effects of the cavity dynamics on the flow are also identified.Thereafter, a range of Hybrid RANS/LES methods is investigated on a non-cavitating case with a similar configuration to the cavitating Venturi flow one. This study intends to select an acceptable hybrid RANS/LES method for sheet cavitation simulation using a better-resolved approach.