Simulation numérique du collapse d’une bulle de cavitation près d’une paroi.

Numerical modeling of the collapse of a Cavitation bubble near a wall.

• Auteur / Autrice : Zhidian Yang
• Direction : Antoine Dazin, Olivier Coutier-Delgosha, Francesco Romano
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 13/12/2024
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides de Lille - Kampé de Fériet - Laboratoire de mécanique des fluides de Lille - Kampé de Fériet
• Jury : Président / Présidente : Daniel Fuster
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Dazin, Olivier Coutier-Delgosha, Francesco Romano, Daniel Fuster, Regiane Fortes-Patella, Matevž Dular, Kevin Wang
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Fuster, Regiane Fortes-Patella

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique des fluides

Modélisation des données (informatique)

Thèses et écrits académiques

Turbulence

Mots clés libres

Bulle de cavitation

Modélisation numérique

Approach all-Mach

Basilisk

Cavitation bubble

Numerical modeling

All-Mach approach

Basilisk

Résumé

Il est très important de comprendre le phénomène de la cavitation à proximité d'une paroi rigide, car il peut causer des dommages importants aux structures solides et a un effet néfaste sur les performances des machines telles que les pompes, les turbines et les hélices. L'implosion des bulles de cavitation à proximité d'une paroi rigide provoque des pics de pression localisés, qui peuvent entraîner l'érosion et la dégradation des matériaux. Il est donc essentiel de pouvoir modéliser et simuler avec précision ces phénomènes afin de prédire les dommages qui peuvent être causés par la cavitation et d'optimiser la conception des machines hydrauliques afin d'en atténuer les effets.L'étude des bulles de cavitation implosant près des parois s'est appuyée par le passé sur une combinaison de techniques expérimentales et de solveurs multiphasiques compressibles pour reproduire les phénomènes clés observés dans les expériences. Dans cette étude doctorale, nous cherchons à répondre à certaines des limitations des modèles numériques en utilisant deux versions de l'approche all-Mach, qui sont l'approche all-Mach compressible couplée thermiquement et l'approche all-Mach compressible isotherme, mises en œuvre dans Basilisk, un solveur open-source qui utilise des maillages cartésiens adaptatifs pour résoudre des équations aux dérivées partielles. Le solveur utilise la méthode du volume de fluide (VOF) pour garantir une capture précise de l'interface entre la bulle de cavitation et le liquide environnant. Aucun changement de phase n'est pris en compte dans les simulations présentées dans cette étude. La bulle est initialement au repos à son volume maximal.Nos résultats démontrent que la pression maximale à la paroi lors de l'implosion de la bulle est nettement sensible au 'stand-off ratio', défini comme la distance entre le centre de la bulle et la paroi, normalisée par le rayon maximal de la bulle. Il convient de noter que si la pression maximale au niveau de la paroi varie considérablement en fonction du stand-off ratio, le rayon équivalent de la bulle ne présente pas un niveau de sensibilité comparable. Cela suggère que le rayon équivalent, qui a été utilisé comme mesure de validation dans des études antérieures, peut ne pas saisir pleinement les complexités du processus d'implosion de la bulle, en particulier en termes de prédiction de la pression maximale sur la paroi. En outre, une étude paramétrique de la simulation 2D d'une bulle de cavitation initialement stationnaire a été réalisée pour identifier les paramètres clés pour modéliser avec un `` solveur DNS minimal '' la dynamique d'une bulle de cavitation de type induite par laser près d'une paroi rigide.En conclusion, cette étude doctorale contribue à une meilleure compréhension de la dynamique des bulles de cavitation près d'une paroi rigide, avec un accent particulier sur l'impact du stand-off ratio et du ratio de pression initiale de la bulle. Les résultats de cette étude jettent les bases de futures recherches sur des dynamiques de bulles plus complexes, y compris l'incorporation potentielle d'un changement de phase et l'étude des interactions entre plusieurs bulles. Ces éléments sont essentiels pour une compréhension plus complète de la cavitation dans des applications pour l'ingénierie.

The phenomenon of cavitation near a rigid wall is of great importance to understand, as it has the potential to cause significant damage to solid structures and has a damaging effect on the performance of machinery such as pumps, turbines and propellers. The collapse of cavitation bubbles near a rigid wall gives rise to localised pressure spikes, which can result in erosion and material degradation. It is therefore essential to be able to accurately model and simulate these phenomena in order to predict the damage that may be caused by cavitation and to optimise the design of hydraulic machinery in order to mitigate its effects.The study of cavitation bubbles collapsing near walls has relied on a combination of experimental techniques and compressible multiphase solvers to reproduce the key phenomena observed in experiments. In this doctoral study, we seek to address some of the limitations of the numerical predictions by employing two versions of the all-Mach approach, which are Thermally-Coupled Compressible all-Mach approach and Isothermally Compressible all-Mach approach, implemented in Basilisk, an open-source solver that utilises adaptive Cartesian meshes to solve partial differential equations. The solver employs the Volume-of-Fluid (VOF) method to ensure the accurate capture of the interface between the cavitation bubble and the surrounding liquid. No phase change is considered in the simulations presented in this study. The bubble is initially at rest at its maximum volume.Our findings demonstrate that the maximum pressure at the wall during bubble collapse is remarkably sensitive to the stand-off ratio, defined as the distance between the bubble's centre and the wall, normalised by the bubble's maximum radius. It is noteworthy that while the maximum pressure at the wall demonstrates a notable degree of variation with varying stand-off distances, the bubble's equivalent radius does not show a comparable level of sensitivity. This suggests that the equivalent radius, which has been used as a validation metric in previous studies, may not fully capture the complexities of the bubble collapse process, particularly in terms of predicting the maximum pressure on the wall.Furthermore, a parametric study of the 2D simulation of an initially stationary cavitation bubble has been carried out to identify the model ingredient needed for a ``minimal DNS solver'' for a simulation of a laser-induced-like cavitation bubble near a rigid wall. We found that while viscosity, initial bubble sphericity and surface tension own minor effects to the bubble dynamics, heat transfer, initial temperature ratio and initial pressure ratio have all have non-negligible effects. 3D simulations are conducted as well to compare with the experiments.In conclusion, this doctoral study contributes to a deeper comprehension of the dynamics of cavitation bubbles near a rigid wall, with a specific emphasis on the impact of the stand-off ratio and initial pressure ratio of the bubble. By employing the all-Mach approach, we illustrate the possibility of modelling bubble collapse and wall pressure behaviour in the absence of phase change, while simultaneously identifying areas that require further development. The findings of this study provide a foundation for future research on more complex bubble dynamics, including the potential incorporation of phase change and the investigation of multi-bubble interactions. These are crucial for a more comprehensive understanding of cavitation in practical engineering systems.