Simulation numérique directe d'écoulements turbulents liquide : gaz compressibles avec changement de phase

Direct Numerical Simulation of turbulent liquid : gas compressible flows with phase change

• Auteur / Autrice : Leandro Germes Martinez
• Direction : Bruno Renou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/06/2022
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement de préparation : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Christian Chauveau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Renou, Sébastien Tanguy, Amsini Sadiki, Benjamin Duret, Thomas Schmitt
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Tanguy, Amsini Sadiki

Mots clés

Mots clés contrôlés

Évaporation

Nébulisation

Atomisation

Turbulence

Compressibilité

Transitions de phases

Écoulement diphasique

Simulation numérique directe

Mots clés libres

Écoulements mutiphasiques

Changements de phases

Compressibles

Mélanges turbulents

Two-phase flows

Phase change

Compressible

Turbulent mixing

Atomization

Spray drying

Evaporation

Résumé

Les écoulements multiphasiques avec changements de phases sont présents [dans] de nombreuses applications industrielles telles que la combustion de spray, les échangeurs de chaleur, les réacteurs nucléaires. Par conséquent une meilleure compréhension des transferts de chaleur et de masse est essentielle pour l’optimisation de la consommation d’énergie de ces procédés et donc de la réduction des émissions polluantes. Pour cela, des méthodes dédiées aux simulations numériques directes des écoulements diphasiques avec changement de phase sont présentées. Le formalisme est basé sur une méthode de représentation de l’interface avec une bonne conservation de la masse appelée CLSVOF, couplée avec une méthode de projection pour la résolution des équations de Navier-Stokes. Ce formalisme peut être utilisé pour une large gamme de nombre de Mach et permet une formulation implicite des termes liés à l’acoustique. Cela nous permet de capturer simultanément plusieurs phénomènes tels que les changements de masse volumique de la phase gazeuse (due aux effets compressibles et mélange), le taux d’évaporation et la température, tous deux, non homogène au niveau de l’interface, etc. De plus les variations spatiales et temporelles de la pression permettent la considération de différentes structures de liquide et de gaz dans le domaine ; chacune avec différentes conditions thermodynamiques. De plus, nous avons fait une étude des procédés d’évaporation et de mélange turbulent en utilisant la configuration THI diphasique compressible. Dans cette étude, nous pouvons voir les effets du taux d’évaporation et du champ de vitesse turbulent sur les grandeurs statistiques de la fraction massique de vapeur.

Multiphase flows with phase change are part of many industrial applications, e. g., spray combustion, heat exchangers, nuclear reactors. Therefore, a better understanding of heat and mass transfer is essential for optimizing the energy consumption of these processes and thus reducing their pollutant emissions. In this context, numerical strategies are presented for the DNS of compressible two phase flows with phase change. The formalism is based on a mass conservative interface capturing method (CLSVOF) coupled with a pressure-based projection method for the temporal resolution of the Navier-Stokes equations. Additionally, the presented formalism is a fully compressible formalism with an implicit formulation of the acoustic term to reduce the time step restrictions. This allows us to capture several subtle phenomena simultaneously, such as gas density changes due to compressibility effects and mixing, non homogeneous evaporation rate and temperature at the interface, etc. In addition, the spatial and temporal variations of pressure permit the consideration of several liquid and gas structures in the domain, each with independent thermodynamic conditions. Furthermore, a study of the evaporation and turbulent mixing processes is conducted using a compressible two-phase HIT configuration. Here, the effects of the evaporation rate, turbulent velocity field, and the liquid and gas structures interactions on the temporal evolution of the vapor mass fraction main statistics are observed.