Schémas numériques mimétiques et conservatifs pour la simulation d'écoulements multiphasiques compressibles

Conservative and mimetic numerical schemes for compressible multiphase flows simulation

• Auteur / Autrice : Thibaud Vazquez gonzalez
• Direction : Antoine Llor
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées
• Date : Soutenance le 17/06/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de mathématiques Hadamard (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fédération de Mathématiques de l'Ecole Centrale Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Simonin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Llor, Marc Massot, Theofanis Theofanous, David Youngs, Michaël Ndjinga
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aziz Hamdouni, Raphaël Loubère

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement diphasique

Mécanique des fluides

Compressibilité

Conservation de l'énergie

Mots clés libres

Schéma compatible

Conservation énergie

Choc

Multiphasique

Écoulement compressible

Arbitrary Lagrangian-Eulerian

Compatible scheme

Energy conservation

Shock

Multi-Fluid

Compressible flow

Arbitrary Lagrangian-Eulerian

Résumé

Dans certaines simulations numériques exigeantes de mécanique des fluides, ilest nécessaire de simuler des écoulements multiphasiques impliquant de nombreuses contraintes simultanées : nombre de fluides important, évolutions compressibles à la fois isentropes et fortement choquées, équations d’états variables et contrastées, déformations importantes et transport surdes longues distances. Afin de remplir ces objectifs de manière robuste, il est nécessaire que la cohérence thermodynamique du schéma numérique soit vérifiée.Dans le premier chapitre, un schéma de type Lagrange plus projection est proposé pour la simulation d’écoulements diphasiques avec un modèle squelette à six équations et sans termes de dissipation. L’importance de la propriété de préservation des écoulements isentropiques est mise en évidence à l’aide d’une comparaison avec des résultats issus de la littérature pour le test deRansom. Ce chapitre souligne aussi certaines limitations de l’approche Lagrange plus projection pour simuler des modèles multiphasiques.Afin de pallier à ces limitations, une nouvelle procédure de dérivation est proposée afin de construire un schéma mimétique pour la simulation d’écoulements instationnaires compressibles dans un formalisme ALE direct (Arbitrary Lagrangian–Eulerian). La possibilité de choisir a prioriles degrés de liberté permet de s’inscrire dans une continuité avec les schémas historiques décalés, tout en imposant les conservations au niveau discret. L’équation de quantité de mouvement discrèteest obtenue par application d’un principe variationnel, assurant par construction la cohérence thermodynamique des efforts de pression. Cette approche est appliquée au cas d’écoulements monofluides comme preuve de concept au Chapitre 3, puis elle est étendue au cas d’écoulements à Nphasescompressibles au Chapitre 4. Des tests mono et multiphasiques montrent un comportement satisfaisant en terme de conservativité, versatilité aux mouvements de grilles et robustesse.

In some highly demanding fluid dynamics simulations, it appears necessary tosimulate multiphase flows involving numerous constraints at the same time : large numbers of fluids, both isentropic and strongly shocked compressible evolution, highly variable and contrasted equations of state, large deformations, and transport over large distances. Fulfilling such a challengein a robust and tractable way demands that thermodynamic consistency of the numerical scheme be carefully ensured.In the first chapter, a Lagrange plus remap scheme is proposed for the simulation of two-phase flows with a dissipation-free six-equation bakcbone model. The importance of the property of isentropic flow preservation is highlighted with a comparison with Ransom test results fromthe literature. This chapter also also point out certain limitations of the Lagrange plus remap approach for multiphase simulations.In order to overcome these limitations, a novel derivation procedure is proposed to construct a mimetic scheme for the simulation of unsteady and compressible flows in a direct ALE (ArbitraryLagrangian-Eulerian) formalism. The possibility to choose a priori the degrees of freedom allows to obtain a continuity with historical staggered scheme, while imposing conservativity at discretelevel. The discrete momentum evolution equation is obtained by application of a variational principle, thus natively ensuring the thermodynamic consistency of pressure efforts. This approach is applied to single-fluid flows as a proof of concept in Chapter 3, then it is extended to N-phasecompressible flows in Chapter 4. Single- and multi-phase tests show satisfactory behavior in terms on conservation, versatility to grid motions, and robustness.