Développement d'une méthode lagrangienne de simulation d'écoulements turbulents à phases séparées

Development of a Lagrangian approach for computing turbulent separated two-phase flows

• Auteur / Autrice : Irène Renaud-Assemat
• Direction : Jacques Magnaudet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 22/07/2011
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Paul Vila
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Magnaudet, Jean-Paul Vila
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Medale

Mots clés

Mots clés libres

Approche lagrangienne

Interface déformable

Conditions de raccordement

Écoulements à phases séparées

Équations de Navier-Stokes

Lagrangian approach

Moving interface

Interfacial boundary conditions

Separated two-phase flows

Navier-Stokes equations

Résumé

Les écoulements turbulents à phases séparées sont présents dans de très nombreuses applications. Cependant, la simulation de tels écoulements avec une interface déformable constitue l'un des problèmes les plus complexes de la mécanique des fluides numérique. La prise en compte du bilan des contraintes normales est au cœur du problème de déformation de l'interface. Dans le travail présenté ici, nous développons un algorithme permettant de simuler des écoulements diphasiques incompressibles et turbulents en suivant le déplacement de l'interface par une approche lagrangienne. Les équations de Navier-Stokes instationnaires écrites en variables vitesse-pression sont résolues dans les deux phases en utilisant des maillages curvilignes orthogonaux. Dans un premier temps, nous introduisons un schéma de raccordement des vitesses tangentielles et des cisaillements. Ce schéma est appliqué afin de simuler l'interaction de deux écoulements turbulents séparés par une interface plane. La turbulence est traitée par une approche de simulation des grandes échelles utilisant un modèle dynamique. Un algorithme original est ensuite développé dans le but de satisfaire de façon non-itérative à la fois la continuité des vitesses normales et des contraintes normales sur l'interface et l'incompressibilité dans les deux phases. Différentes simulations d'écoulements diphasiques avec interface déformable sont réalisées afin de valider ces développements.

Turbulent incompressible two-phase separated flows are present in many applications. However, simulation of such flows with a moving interface is one of the most challenging problems in todays computational fluid dynamics. Taking properly into account the normal stress budget accross the interface is the main difficulty of moving interface problems. This work deals with the development of a boundary-fitted method for computing turbulent incompressible two-phase flows. The interface displacement is achieved through a Lagrangian approach. The unsteady Navier-Stokes equations written in a velocity- ressure formulation are solved within the two phases using an orthogonal curvilinear grid. In a first step, we introduce a scheme allowing tangential velocities and shear stresses to match across the interface. We apply this technique to compute the countercurrent flow generated by two streams separated by a plane interface. This scheme is then applied to compute various situations involving the interaction between two turbulent flows separated by a flat interface. The turbulence is treated by using the Large Eddy Simulation approach with a dynamic model. An original algorithm is then developed to satisfy without any internal iteration the continuity of normal velocities and stresses across the interface and the incompressibility condition within both phases. Several simulations of two-phase flows with a moving interface are carried out to validate these developments.