Etude des écoulements complexes avec interface liquide-gaz : sur une méthode numérique incorporant des schémas avancés de type Volume de Fluide

Investigation of complex liquid-gas interfacial flows : a numerical study using advanced Volume-of-Fluid methods

• Auteur / Autrice : Sagar Pal
• Direction : Stéphane Zaleski, Daniel Fuster
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 29/09/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Le Rond d'Alembert (Paris ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Popinet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Heinz Pitsch
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Luc Estivalèzes, Lydia Bourouiba

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthode VOF

Interfaces gaz-liquide

Écoulement polyphasique

Dynamique des fluides

Mots clés libres

Simulations numériques directes

Volume de Fluide

Fort contraste de densité

Schémas numériques consistants en masse et quantité de mouvement

Description statistique des tailles de gouttes

Rupture capillaire des ligaments liquides

Direct numerical simulations

Volume-of-Fluid

Large density contrast

Résumé

La dynamique des fluides à l’interface liquide-gaz joue un rôle critique dans plusieurs phénomènes naturels ainsi que dans une myriade d'applications industrielles. Au sein de systèmes dominés par la tension de surface tels que les gouttes ou les bulles, les mécanismes fondamentaux régissant entre autre les transferts de chaleur et de masse à l'interface océan-atmosphère, les modes conventionnels de transfert de chaleur, ou encore la transmission d'agents pathogènes. L'une des caractéristiques les plus fascinantes de ces écoulements multiphasiques est le processus d'atomisation, au cours duquel un volume de liquide se scinde en fragments de plus en plus petits. Ce mécanisme est systématiquement présent dans une large gamme d'applications, allant des procédés de combustion à l'irrigation agricole. Ce manuscrit présente des études numériques réalisées à l'aide de reconstruction géométrique avancée basée sur les méthodes de « Volume-of-Fluid ». Deux aspects différents des flux aux interfaces liquide-gaz avec fort contraste de densité sont abordés. La première partie cherche à comprendre, et éventuellement à supprimer, certains types d'instabilités qui affectent les modèles numériques standards en raison de la croissance en cascade des erreurs de discrétisation, qui sont endémiques à toute résolution numérique faible ou modérée. Enfin, la deuxième partie de l'étude est consacrée à une description statistique des tailles de gouttes, lorsque ces dernières sont produites dans de grands ensembles statistiques de simulations numériques directes de la rupture capillaire des ligaments liquides perturbés par des corrugations aléatoires.

The dynamics of liquid-gas interfacial flows play a critical role in several processes in nature, as well as in myriad industrial applications. Key elements of surface tension dominated flows such as droplets and bubbles constitute the fundamental mechanisms governing the exchange of heat and mass at the ocean-atmosphere interface, conventional modes of heat transfer and ever so importantly, the transmission of pathogens. One of the most fascinating features of multiphase flows is the process of atomization, in which a liquid volume breaks into smaller fragments via a series of topological changes of varying complexity, ultimately resulting in the emergence of drops of various sizes. The present body of work is composed of numerical investigations pertaining to two different aspects of liquid-gas interfacial flows involving marked density contrasts, carried out with the aid of advanced geometrical reconstruction based Volume-of-Fluid methods. The first aspect involves understanding and eventually suppressing certain types of instabilities that plague standard numerical models due to the cascading growth of discretization errors that are rampant at low to moderate numerical resolution. Finally, the second aspect of the investigation deals with a statistical description of drop sizes, where the drops are generated by carrying out large ensembles of well resolved direct numerical simulations of the capillary-induced breakup of randomly corrugated ligaments.