Simulation numérique d'écoulements diphasiques avec ligne triple et changement de phase sur maillages non structurés

Numerical simulation of two phase flows with contact line and phase change on unstructured meshes

• Auteur / Autrice : Savinien Pertant
• Direction : Guillaume Balarac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique
• Date : Soutenance le 10/03/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Maitre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Tanguy, Vincent Moureau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Legendre, Olivier Desjardins

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Ébullition

Écoulement diphasique

Mots clés libres

Écoulements diphasiques

Ligne triple

Ébullition

Maillages non structurés

Simulation numérique directe

Two-Phase flows

Contact line

Boiling

Unstructured meshes

Direct numerical simulation

Résumé

Cette thèse a pour objectif la simulation numérique d’écoulements diphasiques surmaillages non structurés en présence de lignes triples et/ou de changement de phasepar ébullition. La simulation de phénomènes physiques complexes, telle l’ébullitionnucléée, nécessite en effet une méthodologie capable de gérer les effets demouillabilité et le transfert de masse à l’interface liquide-vapeur. Dans cetteperspective, une méthodologie pour simuler les écoulements diphasiques avec lignetriple dans des géométries complexes est implémentée dans la librairie volumes-finisYALES2. Une modification de la courbure de l’interface à la ligne triple permetd’imposer l’angle de contact désiré afin de reproduire les effets de mouillabilité à laparoi. Dans le cadre de la méthode level-set de capture de l’interface, une procédureoriginale d’extrapolation de la distance à l’interface dans le Blind Spot est développéepour améliorer l’évaluation de la normale et de la courbure de l’interface à proximité dela paroi solide. La méthodologie proposée est validée sur des cas d’imposition d’anglede contact, d’ascension capillaire et d’étalement de goutte. Les simulations dudétachement d’une goutte suspendue à une fibre horizontale et l’impact d’une gouttesur un cône superhydrophobe sont en bon accord avec les expériences de lalittérature. Dans un second temps, le solveur de changement de phase de YALES2dédié à l’ébullition est amélioré, notamment grâce à un meilleur traitement de laviscosité à l’interface. Ce solveur est alors employé pour simuler l’ascension et lacroissance d’une bulle dans un liquide surchauffé. Un bon accord avec les simulationset expériences de la littérature est observé. Le phénomène d’ébullition en film estégalement simulé en deux et trois dimensions et révèle les capacités du solveur àprendre en compte les changements de topologie de l’interface. Une premièresimulation d’ébullition nucléée est enfin réalisée. Bien que la précision et la robustessede la méthode doivent être encore améliorées, ce cas ouvre les perspectives depoursuite de ce travail, en vue de l’étude numérique des effets de mouillabilité sur letransfert thermique par ébullition nucléée.

This thesis aims at the numerical simulation of two-phase flows with contact linesand/or phase change by boiling on unstructured meshes. Indeed, the simulation ofcomplex physical phenomena, such as nucleate boiling, requires a methodology ableto handle wettability effects and mass transfer at the liquid-vapor interface. In thiscontext, a methodology devoted to the simulation of two-phase flows with contact linesin complex geometries is implemented in the finite volume library YALES2. Theinterface curvature at contact line is modified to impose the desired contact angle inorder to represent the wettability effects at the wall. In the framework of the level-setinterface capturing method, a new distance extrapolation process in the Blind Spot isdeveloped in order to improve the interface normal and curvature evaluation in the wallvicinity. The proposed methodology is validated against various cases as contactangle imposition, capillary rise and drop spreading. The detachment of a drop hangingon a horizontal fiber as well as the drop impact on a superhydrophobic cone are alsosimulated, showing a good agreement with experiments from the literature. Next, thephase change solver of YALES2 (dedicated to boiling simulation) is improved,especially thanks to a better viscosity treatment at the interface. This solver is thenused to simulate the rise and growth of a bubble in a superheated liquid. A goodagreement with experiments and simulations from the literature is observed. The filmboiling phenomenon is also simulated in two and three dimensions, revealing thesolver ability to handle interface topology changes. Finally, a first simulation ofnucleate boiling is performed. Although the accuracy and robustness of the methodstill need to be improved, this case opens up new prospects for the future. Forinstance, the numerical study of wettability effects on heat transfer by nucleate boilingcould be studied.