Thèse soutenue

Simulation numérique d'écoulements diphasiques évaporants par des méthodes de capture d'interface raides
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Auteur / Autrice : Victor Boniou
Direction : Sébastien DucruixAymeric ViéThomas Schmitt
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mécanique des fluides
Date : Soutenance le 09/12/2021
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
référent : CentraleSupélec (2015-....)
graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
Jury : Président / Présidente : Christian Tenaud
Examinateurs / Examinatrices : Olivier Desjardins, Stéphane Popinet, Vincent Moureau, Sébastien Tanguy
Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Desjardins, Stéphane Popinet

Mots clés

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Résumé

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La simulation des écoulements diphasiques évaporant est un sujet en plein essor avec l'émergence de multiples solveurs et méthodes numériques associées.C’est un sujet difficile en raison des discontinuités de l’écoulement à l'interface qui nécessitent des méthodes numériques adaptées.Parmi les méthodes Eulériennes « sharp », plusieurs stratégies ont montré leur capacité à reproduire la physique sans changement de phase, que ce soit en Volume-of-Fluid (VOF) ou en Level-Set (LS).Avec le changement de phase, les sauts d'interface doivent tenir compte des transferts de masse et de chaleur. Peu de contributions existent, et des études spécifiques sont nécessaires pour atteindre le même niveau de compréhension que pour les écoulements sans évaporation.L'objectif de ce travail est de comparer les solutions possibles pour simuler de tels écoulements. Toutes les méthodes sont implémentées dans le même solveur et partagent le même cadre unifié Low-Mach pour permettre des comparaisons équitables.La simulation d'une interface est d’abord étudiée pour quatre méthodes : le VOF, la standard level set (SLS), l’accurate conservative level set (ACLS), et le coupled LS-VOF (CLSVOF). La comparaison est effectuée sur des cas avec champ de vitesse imposé.Dans ce cadre, même si toutes les méthodes présentent des résultats cohérents et convergents en maillage, le CLSVOF semble être la méthode la plus précise, et sa polyvalence pourrait être un atout important pour des cas plus complexes.Ensuite, les méthodes sont intégrées dans le même cadre unifié, sans changement de phase. Ce cadre comprend un transport précis de l'interface, une discrétisation équilibrée de la tension de surface et un transport masse-quantité de mouvement cohérent qui permet des simulations avec un rapport de densité élevé et des effets capillaires.Une attention particulière est accordée aux cas avec tension superficielle, et des cas tests complexes de collision de gouttes ou de rupture induite par cisaillement sont étudiés.Les méthodes donnent des résultats comparables pour les cas simples, si la résolution numérique est suffisamment élevée. Pour les cas complexes, en particulier pour la rupture induite par cisaillement, les méthodes donnent des résultats différents, ce qui nécessite des études sur la capacité des méthodes à saisir le début des instabilités.Enfin, le cadre unifié est étendu au changement de phase en utilisant une approche à deux scalaires pour les équations d'énergie et d'espèces, pour les méthodes VOF et SLS. Les défis numériques sont étudiés numériquement afin de justifier les choix effectués.Une attention particulière est consacrée aux erreurs numériques dans la reconstruction des quantités d'interface, montrant l'importance des méthodes d'extrapolation et de l'évaluation des quantités à l'emplacement de l'interface.Une analyse quantitative est donnée sur les problèmes d'évaporation canoniques avec solutions analytiques. Les méthodes VOF et LS montrent une convergence en maillage, mais avec des tendances opposées pour le cas d'évaporation statique : alors que la LS surestime la régression de l'interface, le VOF la sous-estime.Le dernier cas test est une goutte convectée dans un écoulement au repos, qui implique une convection, une déformation de l'interface et une vaporisation non-homogène. L'importance de la cohérence entre l’équation de quantité de mouvement et de continuité est mise en évidence en considérant différentes techniques de la littérature pour l'équation de continuité, montrant que les formulations incohérentes conduisent à une augmentation de la vitesse de la goutte. Les résultats pour SLS suggèrent que le cadre unifié est trop contraignant, et qu'un cadre dédié doit être utilisé. Enfin, comme les équations VOF peuvent être rigoureusement dérivées des équations de conservation, il n'y a aucune ambiguïté dans l'équation de continuité discrète, et nous considérons que les résultats sont représentatifs de la physique.