Direct numerical simulation of free-surface and interfacial flow using the VOF method : cavitating bubble clouds and phase change

par Leon Malan

Thèse de doctorat en Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique

Sous la direction de Stéphane Zaleski, Arnaud Malan et de Pieter Rousseau.

Soutenue le 24-10-2017

à Paris 6 en cotutelle avec l'University of Cape Town , dans le cadre de École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris , en partenariat avec Institut Jean Le Rond d'Alembert / DALEMBERT (laboratoire) .

Le président du jury était Stéphane Popinet.

Les rapporteurs étaient Dominique Legendre, Stéphane Vincent, Kei Philipp Behruzi.

  • Titre traduit

    Simulation numérique directe de l'écoulement en surface libre et de l'écoulement interfacial à l'aide de la méthode VOF : cavitation des nuages de bulles d'air et changement de phase


  • Résumé

    La présente étude se fonde sur la méthode du volume de fluide (en anglais VOF pour Volume-of-Fluid), proposée à l'origine par Hirt et Nicols. L'objectif de la première partie de ce travail est l'étude hydrodynamique de la cavitation isotherme dans les grands nuages de bulles. Cette étude s'inscrit plus généralement dans un large effort de recherche en micro--écaillage mené par le CEA. Une méthode capable de traiter la présence de cavités de vapeur de volume variable ou encore de pores a été formulée et implémentée dans un code existant, PARIS. L'écoulement est idéalisé en supposant un liquide parfait, des effets thermiques négligeables et une pression de vapeur nulle. Une étude innovante est présentée, traitant de l'interaction du nuage de bulles dans un liquide en expansion par simulation numérique directe. Les résultats des simulations révèlent l'existence d'un concours de cavités dans un certain régime caractérisé par le nombre de Weber.Dans la deuxième partie de l'étude, le système d'équations à résoudre est modifié et généralisé afin de décrire l'écoulement incompressible d'un fluide diphasique tout en incluant la possibilité d'un changement de phase à l'interface. Une nouvelle méthode VOF est proposée, dans laquelle une nouvelle technique d'advection de la fonction VOF permet de traiter à la fois la conservation de la masse et de l'énergie sous une forme conservative. Les expériences numériques démontrent la précision, la robustesse et la généralité de la méthode proposée, et témoignent d'un développement fondamental important pour l'application des méthodes VOF à la modélisation des changements de phase.


  • Résumé

    Direct numerical simulation of two-phase ow is used extensively for engineering research and fundamental fluid physics studies [54, 81]. This study is based on the Volume-Of-Fluid (VOF) method, originally created by Hirt and Nicols [30]. This method has gained increased popularity, especially when geometric advection techniques are used coupled with a planar reconstruction of the interface [14, 89]. The focus of the first part of this work is to investigate the hydrodynamics of isothermal cavitation in large bubble clouds, which originated from a larger study of micro-spalling [61], conducted by the French CEA. A method to deal with volume-changing vapour cavities, or pores, was formulated and implemented in an existing code, PARIS . The ow is idealized by assuming an inviscid liquid, negligible thermal effects and vanishing vapour pressure. A novel investigation of bubble cloud interaction in an expanding liquid using direct or detailed numerical simulation is presented. The simulation results reveal a pore competition, which is characterised by the Weber number in the ow. In the second part of the study the governing equations are extended to describe incompressible ow with phase change [79]. The description of the work commences with the derivation of the governing equations. Following this, a novel, geometric based, VOF solution method is proposed. In this method a novel way of advecting the VOF function is invented, which treats both mass and energy conservation in conservative form. New techniques include the advection of the interface in a discontinuous velocity field. The proposed algorithms are consistent and elegant, requiring minimal modifications to the existing code. Numerical experiments demonstrate accuracy, robustness and generality. This is viewed as a significant fundamental development in the use of VOF methods to model phase change.


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