Simulation a petite échelle par une méthode VOF d'écoulements diphasiques réactifs

par Xavier Calimez

Thèse de doctorat en Energétique

Sous la direction de François Lacas.


  • Résumé

    Dans de nombreux dispositifs de combustion, comme les moteurs fusée cryotechniques ou les moteurs diesel, un des réactifs est injecté sous forme liquide. La combustion, qualifiée alors de « diphasique », ne peut se produire qu'après pulvérisation du liquide et évaporation des gouttes ainsi formées. L'objectif de ce travail est de contribuer à l'effort de compréhension et de modélisation des phénomènes physiques intervenant dans la combustion diphasique en développant et en faisant les premières exploitations d'un code de calcul de simulation a petite échelle d'un ensemble de quelques gouttes dans une géométrie bidimensionnelle plane. La déformation des gouttes, initialement de vitesse et de forme quelconques, est résolue en tenant compte des effets de tension superficielle ( étant supposé constant), de l'évaporation (évaluée en calculant le flux de chaleur de la phase gazeuse vers la phase liquide supposée isotherme) et les effets de viscosité. Le suivi de la phase liquide est réalisé à l'aide d'une méthode VOF avec une reconstruction linéaire par morceaux des interfaces. Les équations de Navier-Stokes, ainsi que les équations de bilan pour l'énergie et les espèces chimiques sont résolues par différences finies en évaluant les flux convectifs par une méthode FCT pour conserver des gradients raides de la température et des fractions massiques des espèces chimiques à la traversée de l'interface. La combustion est modélisée par une réaction chimique irréversible à une étape et une loi d’Arrhenius pour ne pas trop pénaliser des temps de calcul déjà longs. Ce code de calcul est ensuite exploité pour étudier l'évaporation pure, puis la combustion d'un brouillard de gouttes d'oxygène liquide dans de l'hydrogène gazeux chaud. L'influence de la géométrie du brouillard et de la différence de vitesse entre les deux phases sur le temps de vaporisation des gouttes ainsi que sur le mélange des réactifs est mise en évidence. Pour faciliter l'exploitation des résultats, on introduit, par analogie avec l'étude des couches de mélange et des flammes de diffusion turbulente, la notion de fraction de mélange, qui est ainsi généralisée aux écoulements diphasiques réactifs. On établit analytiquement des équations d'évolution temporelle de la moyenne et de la variance de cette fraction de mélange dans la partie gazeuse du domaine de calcul. Les rôles respectifs de l'évaporation et de la diffusion moléculaire sur l'apparition et la destruction des hétérogénéités de concentration des réactifs peuvent ainsi être analysés et quantifiés.

  • Titre traduit

    Small scale simulation of two-phase reactive flows using a VOF method


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Informations

  • Détails : 1 vol. (XII-292 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 45 réf.

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  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : TH 59294
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