Simulations numériques de la convection naturelle ou mixte dans des canaux verticaux : comparaisons de schémas numériques level-set pour la modélisation d'écoulements de fluides immiscibles et incompressibles

Numerical simulations of natural or mixed convection in vertical channels : comparisons of level-set numerical schemes for the modeling of immiscible incompressible fluid flows

• Auteur / Autrice : Ru Li
• Direction : Guy Lauriat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés
• Date : Soutenance le 12/12/2012
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Modélisation et Simulation Multi-Échelle
• Jury : Président / Présidente : Béatrice Guerrier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guy Lauriat, Marie-Christine Duluc, Éric Chenier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Paul Caltagirone, Shihe Xin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Navier-Stokes, Équations de

Mach, Nombre de

Fluides incompressibles

Ensembles de niveaux, Méthodes d'

Chaleur -- Convection

Volumes finis, Méthodes de

Mots clés libres

Méthodes de Volumes Finis

Convection naturelle

Convection mixte

Canaux verticaux

Méthode Level-Set

Schémas ENO-WENO

Finite Volume method

Natural convection

Mixed convection

Vertical channels

Level-Set method

ENO-WENO schemes

Résumé

Le but de ce mémoire de recherche est d'étudier les convections naturelle et mixte d'écoulements fluides, et de développer et valider des méthodes numériques pour le suivi d'interfaces afin de traiter plus tard des écoulements incompressibles de fluides immiscibles. Dans une première étape, une méthode numérique originale, basée sur des discrétisations Volumes Finis, est développée pour modéliser les écoulements à faible nombre de Mach et grands écarts de température. Trois applications physiques, portant sur l'écoulement d'air à travers des plaques verticales parallèles chauffées, sont étudiées. Nous avons montré que l'espacement optimal, correspondant au pic de flux de chaleur transféré d'un réseau de plaques parallèles isothermes refroidies par convection mixte, est plus faible que ceux obtenus en convections naturelle ou forcée lorsque la chute de pression à la sortie est constante. Nous avons également prouvé que les écoulements de convection mixte à débit imposé peuvent présenter des solutions physiques inattendues ; un modèle alternatif basé sur une pression totale imposée à l'entrée et une pression fixée à la sortie donne de meilleurs résultats. Pour des canaux soumis un flux de chaleur sur une paroi seule, le rayonnement de surface tend à supprimer l'apparition des recirculations à la sortie et à uniformiser les températures des parois. Dans une seconde étape, le modèle mathématique couplant les équations de Navier-Stokes incompressibles et la méthode Level-Set pour le suivi d'interfaces est développé. Des améliorations de la conservation du volume fluide par l'utilisation de schémas de discrétisation d'ordres élevés (ENO-WENO) pour l'équation de transport et des variantes de l'équation de la distance signée sont discutées

The aim of this research dissertation is at studying natural and mixed convections of fluid flows, and to develop and validate numerical schemes for interface tracking in order to treat incompressible and immiscible fluid flows, later. In a first step, an original numerical method, based on Finite Volume discretizations, is developed for modeling low Mach number flows with large temperature gaps. Three physical applications on air flowing through vertical heated parallel plates were investigated. We showed that the optimum spacing corresponding to the peak heat flux transferred from an array of isothermal parallel plates cooled by mixed convection is smaller than those for natural or forced convections when the pressure drop at the outlet keeps constant. We also proved that mixed convection flows resulting from an imposed flow rate may exhibit unexpected physical solutions; alternative model based on prescribed total pressure at inlet and fixed pressure at outlet sections gives more realistic results. For channels heated by heat flux on one wall only, surface radiation tends to suppress the onset of recirculations at the outlet and to unify the walls temperature. In a second step, the mathematical model coupling the incompressible Navier-Stokes equations and the Level-Set method for interface tracking is derived. Improvements in fluid volume conservation by using high order discretization (ENO-WENO) schemes for the transport equation and variants of the signed distance equation are discussed