NOUVEAUX MODÈLES DE SIMULATION AUX GRANDES ÉCHELLES DES ÉCOULEMENTS DIPHASIQUES TURBULENTS À PHASE DISPERSÉE

NEW LARGE-EDDY SIMULATION MODELS FOR TURBULENT DISPERSE PHASE FLOWS

• Auteur / Autrice : Clément Morhain
• Direction : Aymeric ViÉ
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : EM2C - Energétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec

Mots clés

Mots clés libres

Simulation aux grandes échelles (LES)

Turbulence

Ecoulement diphasique à phase dispersée

Ondelettes

Processus stochastiques

Large Eddy Simulation (LES)

Turbulence

Dispersed two-phase flow

Wavelets

Stochastic processes

Résumé

Les écoulements diphasiques turbulents à phase dispersée se retrouvent dans de nombreuses applications comme les moteurs aéronautiques, la formation des nuages ou encore les collecteurs d'énergie solaire. Dans le cadre de simulations numériques, décrire correctement l'évolution de ce système est essentiel, parce qu'il est au centre des phénomènes physiques d'intérêt. De plus, une contrainte forte de ces applications est le caractère multi-échelles, qui rend impossible la simulation directe des équations. Il est alors nécessaire d'utiliser des méthodes de réduction, comme la simulation aux grandes échelles. De nombreux modèles existent dans la littérature, et permettent de reproduire les niveaux d'énergie et la dispersion des particules dans des écoulements homogènes. Cependant, ils échouent toujours à prédire un élément essentiel de la dynamique des particules : la concentration préférentielle. En effet, en raison de l'interaction avec la turbulence, les particules peuvent créer localement des amas, qui pourront ainsi complètement changer l'interaction avec la phase porteuse. De plus, un élément important en turbulence est l'intermittence, se manifestant par des fluctuations brutales de quantités comme la vitesse ou la dissipation. Cet élément est aussi souvent négligé et nécessite un effort important pour être pris en compte. Dans le cadre des travaux de thèse de Roxane Letournel, des nouveaux modèles ont été proposés et appliqués dans un cadre RANS. Le but du présent projet de thèse est d'étendre ces travaux au cadre de simulation aux grandes échelles. Pour cela, il sera nécessaire de prolonger les modèles existants à ce cadre, en prenant notamment en compte des conditions non-homogènes. Il sera aussi nécessaire de mettre en place un cas de référence discriminant pour cette validation. Ces travaux nécessiteront d'avoir ou de développer des compétences en modélisation physique, en calcul scientifique mais aussi en mathématiques appliquées, les modèles proposés étant basés sur des outils avancés de calcul stochastique ou de méthodes d'ondelettes.

Turbulent two-phase flows with disperse phase are found in many applications such as aeronautical engines, cloud formation or solar energy collectors. In numerical simulations, it is essential to describe correctly the evolution of this system, because it is at the center of the physical phenomena of interest. Moreover, a strong constraint of these applications is the multi-scale character, which makes direct simulation of the equations impossible. It is then necessary to use reduction methods, such as large scale simulation. Many models exist in the literature, and allow to reproduce the energy levels and the dispersion of particles in homogeneous flows. However, they still fail to predict an essential element of the particle dynamics: the preferential concentration. Indeed, due to the interaction with the turbulence, particles can locally create clusters, which can completely change the interaction with the carrier phase. Moreover, an important element in turbulence is the intermittency, manifested by abrupt fluctuations of quantities such as velocity or dissipation. This element is also often neglected and requires a significant effort to be taken into account. In the framework of Roxane Letournel's PhD work, new models have been proposed and applied in a RANS framework. The aim of the present thesis project is to extend this work to the large scale simulation framework. To do so, it will be necessary to extend the existing models to this framework, taking into account non-homogeneous conditions. It will also be necessary to set up a discriminating reference case for this validation. This work will require skills in physical modeling, in scientific computing but also in applied mathematics, the proposed models being based on advanced tools of stochastic computing or wavelet methods.