Simulation numérique directe de gouttes et de groupes de gouttes qui s'évaporent dans un écoulement laminaire ou turbulent

par Romain Alis

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides

Sous la direction de Jean-Luc Estivalèzes et de Sébastien Tanguy.


  • Résumé

    L’évaporation du carburant injecté dans une chambre de combustion est un phénomènecrucial dans un foyer aéronautique car elle détermine la quantité de vapeur qui sera ensuite brûléepour fournir de l’énergie au moteur. Cependant, ce phénomène reste mal décrit du fait desdifficultés de mesurer expérimentalement les taux d’évaporation des gouttes appartenant à unbrouillard. D’autre part, les hypothèses des modèles théoriques ne sont toujours pas représentativesdes conditions rencontrées dans les foyers de combustion.La thèse s’inscrit dans une démarche visant à étudier l’évaporation d’un groupe de gouttesdans un écoulement turbulent au moyen de la Simulation Numérique Directe (SND). En effet, lorsde l’évaporation de groupes de gouttes, des effets collectifs peuvent influer sur le taux d’évaporationde chaque goutte ou sur le taux d’évaporation global du nuage de gouttes. L’approche SNDpermet de quantifier précisément ces effets afin d’améliorer les modèles actuels d’évaporation.Dans un premier temps, des algorithmes ont été développés et utilisés dans une configuration1D sphérique pour décrire l’évaporation d’une goutte statique isolée et sans gravité. Puisdans un second temps, l’évaporation d’une goutte a été étudiée dans un écoulement laminaire.Une analyse des échanges de chaleur entre la goutte et le milieu extérieur ainsi que de la force detraînée exercée par l’écoulement laminaire sur la goutte a été effectuée. Dans cette partie, il a étémis en évidence que l’évaporation induit une diminution des échanges thermiques et de la traînée.Il a notamment été observé que dans certains cas de forte évaporation, la traînée de la gouttepeut devenir négative. Cela implique que l’évaporation peut être à l’origine d’un phénomène depropulsion de la goutte. Une analyse théorique permet de lier ce comportement à une asymétriedu débit d’évaporation. Dans un troisième temps, l’influence de la turbulence sur l’évaporationd’une goutte a été étudiée. Pour cela, un générateur de fluctuations turbulentes a été implémentéet des techniques de calculs parallèles ont été introduites pour réduire le temps des calculs. Celaa permis d’analyser les échanges thermiques et le comportement de la traînée d’une goutte eninteraction avec un écoulement turbulent. Il a été montré que ces deux grandeurs ont tendanceà être amplifiées par la turbulence. Enfin, dans un dernier temps, l’évaporation de groupes degouttes a été étudiée. Pour trois groupes de gouttes différents, les déplacements des gouttes ontété analysés avec les échanges de chaleur lorsque ceux-ci sont placés dans un écoulement laminaireou turbulent avec ou sans changement de phase. En présence d’évaporation, il a été mis enévidence que les déplacements sont différents des cas sans évaporation et donc que le changementde phase modifie les effets collectifs. De plus, ces effets de groupes ont aussi été observés sur leséchanges thermiques.

  • Titre traduit

    Direct numerical simulation of droplets and droplet groups vaporizing in a laminar or turbulent flow


  • Résumé

    The vaporisation of injected fuel in a combustion chamber is a crucial phenomenon inan aeronautical motor because it determines the vapour quantity which will be burned to bringenergy to the motor. Still, this phenomenon is not well understood due to the difficulties tomeasure on experiments vaporisation rates of injected sprays. Moreover, hypothesis of theoriticalmodels are not representatives of conditions encountered in combustion furnaces.The thesis take place in an effort to analyse the evaporation of droplet groups in a turbulentflow by mean of Direct Numerical Simulation (DNS). Indeed, during droplet group evaporation,collective effects can modify single droplet rates of vaporisation and the group global rate ofvaporisation. The DNS approach should allows to quantify precisely this effect and leads to animprovement of actual models of evaporation.Firstly, algorithms are developped and used in a 1D spherical configuration to describe theevaporation of a single static droplet without gravity. Secondly, the vaporistion of a droplet in alaminar flow has been studied. The analysis focus on heat exchanges between the droplet and theexternal environment as well as the force exerced on the droplet by the laminar flow. In this part,it has been highlighted that the evaporation induced a decrease in thermal exchanges and drag.In some cases of strong evaporation, the drag of the droplet has been observed to be negative.It means that the evaporation can cause a propulsion phenomenon of the droplet. A theoriticalanalysis allows to link this behaviour to an asymetry of the vaporisation rate. Thirdly, a studyof the turbulence influence on the evaporation of a droplet has been carried out. A generator ofturbulent fluctuations has been implemented and parallel approaches have been introduced toreduced computational time. It allowes to analyse thermal exchanges and drag behaviour of adroplet interacting with a turbulent flow. The analysis showed that theses two variables increasewith turbulence. Lastly, the evaporation of groups of droplets has been studied. For three differentgroups of droplets, trajectories of droplets have been analysed with heat exchanges when they areput in a laminar or a turbulent flow with or without phase change. In presence of evaporation,the analysis pointed out that trajectories were different from cases whitout evaporation and sothat phase change modifies collective effects. Moreover, these collective effects have also beenobserved on thermal exchanges.


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