Numerical simulation of turbulent viscoelastic fluid flows : flow classification and preservation of positive-definiteness of the conformation tensor

par Ramon Silva Martins (Silva Martins)

Thèse de doctorat en Mécanique, Énergétique et Sciences des matériaux

Sous la direction de Laurent Thais et de Gilmar Mompean.

Soutenue le 25-11-2016

à Lille 1 , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille) , en partenariat avec Laboratoire de mécanique de Lille (LML) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Simulation numérique d’écoulements turbulents de fluides visco-élastiques classification d’écoulements et préservation de la positivité du tenseur de conformation


  • Résumé

    Le but de ce travail est de fournir une amélioration de la connaissance sur le phénomène de la réduction de la traînée induite par polymère en considérant certains aspects de sa simulation numérique et les changements qui se produisent dans la cinématique de l’écoulement. Dans un premier temps, les transformations du type racine carrée et kernel racine-k pour le tenseur de conformation du modèle FENE-P ont été implémentées afin d’assurer la positivité du tenseur de conformation. Cependant, ces approches divergent en raison du caractère non-borné du tenseur de conformation. Cette contrainte n’a pas été respectée, même avec l’inclusion de diffusion artificielle. L’effet d’amortissement de la diffusion artificielle a permis d’assurer la stabilité numérique, mais il aboutit à une réduction de la traînée relative de 22% à 42% plus faible que prévue par les approches standards. Dans un second temps, les modes hyperboliques, paraboliques et elliptiques des écoulements turbulents viscoélastiques ont été évalués en utilisant de différents critères de classification d’écoulements. Certains avantages concernant les critères objectifs ont été discutés. On a observé que les domaines hyperboliques contribuent de manière significative à la cinématique de l’écoulement. Enfin, on a observé une tendance des domaines elliptiques et hyperboliques à devenir paraboliques et que cette tendance augmente avec l’élasticité.


  • Résumé

    The purpose of this work is to provide an enhancement of the knowledge about the polymer-induced drag reduction phenomenon by considering some aspects of its numerical simulation and the changes that occur in the flow kinematics. In the first part, the square root and kernel root-k formulations for the conformation tensor in the FENE-P model were implemented and showed to preserve the positiveness of the conformation tensor. However, they led to numerical divergence due to the loss of boundedness of the conformation tensor. This constraint was violated even with the inclusion of artificial diffusion. The damping effect of artificial diffusion helped to ensure numerical stability, but led to relative drag reduction from 22% to 42% lower than expected from traditional methods. In the second part, the hyperbolic, parabolic and elliptic modes of turbulent viscoelastic flows were evaluated by means of different flow classification criteria. Some advantages of considering objective criteria were discussed. It was shown that the hyperbolic domains significantly contribute to the flow kinematics. Finally, a tendency of both elliptic and hyperbolic domains to become parabolic was observed and found to increase with the elasticity.


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