Contribution to numerical simulation of electrohydrodynamics flows : application to electro-convection and electro-thermo-convection between two parallel plates

par Jian Wu

Thèse de doctorat en Mécanique des milieux fluides

Sous la direction de Hubert Romat et de Philippe Traoré.

Le président du jury était Michel Visonneau.

Le jury était composé de Hubert Romat, Philippe Traoré, Christophe Louste, Dantchi Koulova, Fengquan Li, Pedro Vasquez.

Les rapporteurs étaient Michel Visonneau, Alberto Perez.

  • Titre traduit

    Contribution à la simulation numérique d'écoulements électrohydrodynamiques : application à l'électro-convection et l'électro-thermo-convection entre deux plans parallèles


  • Résumé

    Dans cette thèse, nous présentons une nouvelle approche pour la simulation numérique des phénomènes électroconvectifs et électro-therrno-convectifs. La principale difficulté réside dans la détermination du champ électrique et de la distribution de densité volurnique de charges électriques. Dans cette approche, des schémas de type TVD (Total Variation Dirninishing) et IDC (ImprovedDeferred Correction) sont utilisées dans la discrétisation des flux convectifs et diffusifs par la méthode des volumes finis. La première partie de cette thèse présente certains aspects numériques liés à l'implémentation de ces schémas. Une approche unifiée pour les schémas convectifs TVD de type borné à haute résolution est présentée et diverses fonctions limiteur sont comparées. Dans une deuxième partie, l'électro-convection entre deux plaques parallèles est simulée. La méthodologie a étéévaluée et validée par la détermination des Critères de stabilité linéaire et non linéaire. Les différents scenarii d'évolution du développement de cette instabilité électroconvective vers l'état chaotique ont été définis. L'effet du mécanisme de diffusion la densité volumique de charge sur la boucle d'hystérésis et sur la structure de l'écoulement est étudié. L'influence du rapport d'aspect de la cavité est analysé. Enfin dans une dernière partie, nous étudions l'électro-thermo-convection lorsque le fluide est soumis simultanément à une injection unipolaire et à un gradient thermique. L'augmentation des transferts de chaleur a été caractérisée.


  • Résumé

    In this thesis, a numerical approach is presented to simulate the electro- and electro-thermo convection in dielectric liquids. The total variation diminishing (TVD) scheme and improved deferred correction (IDC) scheme are used to compute the convective and diffusive respectively. The aim of TVD scheme is to avoid non-physical oscillations and to capture high gradient of charge density. Some fundarnental aspects related to TVD and LDC schemes are investigated firstly. A unified approach for TVD schemes is explained and various limiter functions are compared. The connection among three methods for diffusive flux computation has been revealed. The original IDC scheme is improved by the application of 2nd order gradient evaluation method.The electro-convection between two parallel plates is then simulated. The methodology was assessed by the determination of the linear and nonlinear stability criterion. By continuously increasing the driving parameter, the successive instabilities and route to chaotic state has been defined. The effects of the diffusion mechanism for the charge density and vertical walls on the hysteresis 100p and the structure are also investigated. The last part is to simuiate electro-thermo-convection when injection and thermal gradient are simultaneously applied. Our solver was verified with a stationary and an overstable stability problem.The case that both heating and injection are from a bottom electrode has been analyzed in details. The neutral stabiliïy curve was reproduced. The existence of nonlinear phenornenon and the structure are highlighted.


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