Academic literature on the topic 'Écoulement instationnaire (dynamique des fluides) – Simulation, Méthodes de'

Ce travail est consacré à l'application d'un modèle diphasique eulérien à la fluidisation solide-liquide. L'approche utilisée pour décrire le mouvement de la phase solide est issue de la théorie cinétique des milieux granulaires, en y incluant les effets du fluide interstitiel à différentes échelles (mouvement moyen et fluctuant). Le calcul est 2D et instationnaire. Le modèle est d'abord évalué en comparant l'évolution de la pression granulaire en fonction de la fraction solide aux données expérimentales de Zenit et al. , dans une gamme étendue de concentration et pour trois types de billes (nylon, verre et acier)fluidisées dans de l'eau et présentant des nombres de Stokes particulaires contrastés. Cette comparaison a permis de valider globalement l'approche proposée, en notant toutefois que l'écart observé entre valeurs calculées et mesurées décroît lorsque le nombre de Stokes augmente. Les mécanismes de production/dissipation des fluctuations de la phase solide sont ensuite analysés en évaluant le poids respectif des termes source/puits et par une étude de sensibilité du modèle aux différents paramètres et lois de fermeture. Cette étude met en évidence les effets dominants du terme de dissipation par la force de traînée et du terme de production par le cisaillement moyen, dans la plupart des cas étudiés.

De nombreuses applications industrielles impliquent des écoulements périodiques en temps. La détermination d’une frontière de flottement d’une aile ou les écoulements rencontrés dans les compresseurs de moteurs d’avions constituent quelques exemples. Les méthodes instationnaires classiques de simulation ne sont pas assez efficaces puisque l’état périodique n’est atteint qu’après un long transitoire. De nouvelles méthodes dédiées à ce type d’écoulements ont été étudiées récemment. Ces méthodes, dites d’équilibrage harmonique, permettent de simuler un écoulement périodique en temps à l’aide de plusieurs calculs stationnaires couplés. L’efficacité de ces méthodes permet d’obtenir un degré de précision suffisant pour l’ingénieur beaucoup plus rapidement que les méthodes classiques. Cette thèse se propose de mettre en oeuvre l’une de ces méthodes, la Time Spectral Method (TSM), dans le solveur elsA de l’Onera. Elle est étendue à une formulation prenant en compte les déformations de maillage pour des applications en aéroélasticité et des algorithmes implicites sont également développés afin d’améliorer la robustesse. La TSM est d’abord validée avec succès sur des applications d’aérodynamique externe. L’extension aux turbomachines nécessite des interpolations temporelles et spatiales complexes pour réduire le domaine de calcul à un seul canal par roue quelque soit la géométrie. Des applications d’interactions rotor/stator et d’aéroélasticité sont présentées
Many industrial applications involve flows periodic in time. Flutter prediction or turbomachinery flows are some examples. Such flows are not simulated with enough efficiency when using classical unsteady techniques as a transient regime must be by-passed. New techniques, dedicated to time-periodic flows and based on Fourier analysis, have been developed recently. These methods, called harmonic balance, cast a time-periodic flow computation in several coupled steady computations, corresponding to a uniform sampling of the period. Their efficiency allow to get a precision good enough for engineering but much faster than classical nonlinear timemarching algorithms. The present study aims at imlementing one of these, the Time Spectral Method, in the ONERA solveur elsA. It is extended to an arbitrary lagrangian/eulerian formulation to take into mesh deformation for aeroelasticity applications. New implicit algorithms are developped to improve robustness. The TSM is successfully validated on external aerodynamic applications. Turbomachinery flows necessitate complex space and time interpolations ro reduce the computational domain to a single blade passage per row regardless of its geometry. Some applications in rotor/stator interactions and aeroelasticity are presented

Le travail de cette these s'inscrit dans le cadre de la modelisation des contacteurs liquide-liquide munis d'internes. Les interactions goutte-fluide et goutte-paroi telles que le rebond et l'adhesion des gouttes sur la surface des parois internes sont etudiees dans le cas d'une colonne pulsee a disques et couronnes. Le travail de ce memoire comporte trois parties : - dans la premiere partie, la trajectoire d'une goutte unique soumise a un ecoulement pulse dans la colonne est etudiee. Dans ce but, une technique de traitement d'images permettant de reconstruire la trajectoire 3d d'une goutte unique, a ete mise au point. L'analyse des trajectoires pour divers regimes d'ecoulement a permis d'eclairer le fonctionnement du contacteur, en fonction du diametre des gouttes et du nombre de reynolds de l'ecoulement. La simulation de ces trajectoires a ete effectuee a l'aide d'un code de calcul lagrangien. Les ecarts observes sont interpretes au travers des interactions goutte-paroi et goutte-fluide porteur. - la deuxieme partie est consacree a l'etude du rebond d'une goutte en mouvement ascendant contre une paroi solide horizontale. Les trajectoires d'une goutte impactant contre une surface plane dans un fluide au repos sont enregistrees et analysees pour differents systemes, en etudiant l'influence du nombre capillaire et du nombre de reynolds particulaire. L'analyse de ces trajectoires souleve le probleme de la notion meme de coefficient de restitution telle qu'elle est utilisee dans le code de calcul lagrangien. Un modele de rebond a ensuite ete teste avec succes. L'originalite de ce modele repose sur l'introduction, dans l'equation de trajectoire de la goutte, de la force capillaire exercee sur la goutte deformee au voisinage de la paroi. - enfin, l'etude de la force critique de detachement d'une goutte adherant sur une paroi et soumise a un ecoulement pulse est abordee. La frequence critique est enregistree pour differents diametres et deux tensions interfaciales. Le role des forces hydrodynamiques s'exercant sur la goutte est clairement explicite en fonction des conditions de pulsation et de la position radiale de la goutte. Dans le cas ou la force de trainee est dominante, on montre qu'au moment du detachement, la force hydrodynamique calculee est egale a la force d'adhesion.

L'écoulement instationnaire produit par le défilement des roues mobiles face aux roues fixes dans les turbomachines se caractérise par des échelles de temps et d'espace très variées. Numériquement, la prise en compte de ces effets nécessite de nouvelles modélisations. Ce travail a pour objectif une meilleure compréhension des mécanismes instationnaires dans les machines multiétagées. Pour s'affranchir de toute hypothèse restrictive sur les périodicités spatiales, les simulations numériques sont effectuées sur la circonférence complète de chaque roue. Pour l'étage isolé, on démontre que l'écoulement présente une périodicité spatio-temporelle qui est décrite par la décomposition en double série de Fourier de Tyler & Sofrin. Les modes spatiaux permettent de préciser l'interaction entre les grilles et un parallèle est fait avec la décomposition d'Adamczyk. La simulation numérique complète d'un étage et demi propose une extension de l'analyse des interactions en configuration multiétagées
Unsteady phenomena produced by the relative motion between fixed and moving rows in turbomachinery is caracterized by different scales in space and time. From the numerical point of view, taking into account those effets requires new models. The purpose of this work is a better understanding of the unstaeday mechanisms in a multistage turbomachinery. In ordre to cast of any restricting hypothesis over the spatial periodicities, numerical simulations are operated over the whole circumference of each row. In the single stage case, it is shown that the unsteady flow presents a phase-lagged periodic condition which may be described by the double Fourier decomposition proposed by Tyler & Sofrin. The spatial modes precise the interaction between rows and a comparison is made with the Adamczyk's decomposition. The numerical simulation of a one and a half stage brings an extension of the analysis of the interactions in a multistage machine

La méthode des vortex aléatoires est appliquée à la simulation de l'écoulement instationnaire à la traversée d'un diaphragme. La géométrie axisymétrique étudiée nécessite l'extension des concepts, plans aux éléments tourbillonnaires du type ruban et d'anneaux. Grâce à une réduction importante du temps de calcul, des comparaisons avec les résultats expérimentaux à partir d'un fichier de 1000 pas de temps ont été réalisées. Elles portent sur la description physique de l'écoulement (visualisation qualitative des structures tourbillonnaires), sur les champs de vitesse et de pression ainsi que sur les corrélations et analyses spectrales. Ces comparaisons quantitatives sont très satisfaisantes, grâce à l'incorporation dans le modèle d'un mécanisme de réduction temporelle de la circulation des anneaux tourbillonnaires.

L'objectif de cette étude est de déterminer l'effet des fluctuations de débit liquide instantané d'un injecteur sur l'entraînement d'air instationnaire d'un spray conique creux de type injection directe essence. Pour ce faire, nous utilisons plusi eurs outils, expérimentaux et numériques. Une méthode de mesure de débit liquide instantané, basée sur la modélisation physique des écoulements pulsés est utilisée. La mesure de la vitesse (Anémométrie Laser Doppler) de l'écoulement à l'axe de la conduite alimentant l'injecteur suffit pour reconstruire l'écoulement avant l'injecteur. Un logiciel de modélisation hydraulique et mécanique (AMESim) permet d'obtenir le débit liquide instantané en sortie de l'injecteur. La validation est réalisée grâce aux résultats de la méthode de reconstruction et à des mesures de pression de rampe d'injection. La Vélocimétrie par Images de Particules Fluorescentes (FPIV), adaptée aux milieux diphasiques denses, donne accès à l'écoulement d'air autour et à l'intérieur du spray cônique. Des mesures de vitesse d'air à proximité de la nappe diphasique permettent de déterminer l'entraînement d'air instationnaire du spray. En se basant sur des données de granulométrie et de vitesse du carburant en sortie de l'injecteur, l'analyse des échanges de quantité de mouvement des gouttes vers l'air permet enfin de proposer un modèle d'entraînement instationnaire fidèle aux mesures FPIV.

Nous étudions les écoulements à l'aide des méthodes de calcul décrivant le transport du tourbillon. Ces méthodes sont basées sur une discrétisation volumique des zones tourbillonnaires en particules que l'on suit dans leur mouvement. Ces dernières portent un vecteur tourbillon qui évolue dans le temps en fonction des distorsions locales du champ de vitesse. Ces modélisations numériques d'écoulements tourbillonnaires instationnaires en formulation lagrangienne présentent la particularité d'être bien adaptées à la description de phénomènes complexes, mais ont la réputation d'être coûteuses en temps de calcul.

Le cadre général de cette thèse est l'amélioration de l'efficacité de ces méthodes sous trois aspects :
- décomposition linéaire / non linéaire
- approximation par domaine
- la programmation parallèle (PVM).

Des applications concernant des problèmes d'énergie éoliens, soit sur des générateurs à hélice (éolienne), soit sur les voiles de bateau pour l'interaction fluide/structure sont développés.

Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans le cadre du développement de méthodes numériques pour simuler et étudier les écoulements internes subsoniques. L'approche utilisée tente aussi de montrer les liens qui existent entre la physique, l'analyse numérique et l'informatique lorsque l'on réalise des expériences numériques en mécanique des fluides. Dans le premier chapitre, on étudie une modélisation des écoulements internes subsoniques, basée sur une approximation de faible nombre de mach. Dans le second chapitre, on analyse différents schémas numériques d'intégration d'une équation de conservation scalaire. On montre en particulier que la résolution numérique précise d'un problème instationnaire nécessite des schémas en temps d'ordre 2 et des discrétisations spatiales par éléments finis précises. Dans le troisième chapitre, on développe une méthode numérique performante pour résoudre le système d'équations de conservation décrivant les écoulements interne subsoniques. Cette méthode numérique utilise des schémas en temps semi-implicite d'ordre 1 ou implicite d'ordre 2, une approximation par éléments finis p1/iso p2 et un algorithme de résidu minimal pré-conditionné de type Uzawa pour résoudre le problème de Lagrange variationnel. Dans le chapitre suivant on analyse les techniques mises en œuvre pour implanter et optimiser cette méthode numérique. Dans le dernier chapitre, on étudie l'écoulement dans un canal autour d'une rangée périodique de cylindres. Grâce à la simulation numérique on a caractérisé les premières instabilités qui apparaissent, et on a mis en évidence un couplage entre une instabilité principale de canal (de type Tolmien-Schliechting) avec une instabilité de sillage (de type allée de Karman)

Le travail effectué au cours de cette thèse a été de développer et implémenter des outils capables d’aider à la simulation numérique d’écoulements cryogéniques, en proposant des cas-tests basés sur des expériences «numériques» via l’utilisation de la Simulation Numérique Directe (DNS). Les problèmes rencontrés au cours des différentes expériences, dus aux conditions d’utilisation (une pression supérieure à 50 Bar et des réactifs très inflammables), amènent donc les industriels à développer de nouveaux outils numériques. En effet, au delà d’une certaine pression, la distinction entre la phase liquide et la phase gazeuse disparaît et les interactions intermoléculaires ne peuvent plus être négligées ce qui affecte les mécanismes de transport. Différents modèles de la littérature ont été étudiés et comparés à des données de référence (NIST). Certains ont ensuite été introduits dans le code de simulation Asphodèle, basé sur une formulation bas nombre de Mach. La configuration étudiée permet de simuler la déstabilisation d’un jet en condition supercritique. L’objectif principal étant de se rapprocher au plus près des conditions réelles de fonctionnement et de tester la formulation bas nombre de Mach utilisée pour la première fois en écoulement supercritique. Enfin, disposant de résultats issus d’une simulation numérique directe, nous avons évalué, à partir de tests a priori, la pertinence de modèles utilisées dans certaines simulations supercritiques RANS ou LES, tel le modèle de variable de mélange ou l’utilisation des variables filtrées dans l��équation d’état
The main aim of this work is to develop tools able to realise numerical simulation of cryogenic flows by proposing tests case based on numerical experiments through the use of Direct Numerical Simulation (DNS). Many problems encountered during experiments are due to experimental conditions (high pressure and very flammable reactives) that impose researchers to consider new numerical ways. Indeed, beyond a given pressure, the distinction between liquid and gaseous phase disappears and molecular interactions can’t be neglected anymore. This affects thermo-physical variables. So, different physical models have been studied and results have been compared to reference data (NIST). Some of them have been introduced in Asphodele solver. This solver is based on a low Mach number formulation. The reference configuration used simulates the destabilization of a jet in supercritical condition. Main aim being to reach conditions present inside the rocket’s combustion chamber and to test low Mach number formulation applied in supercritical flows. Finally, from results extracted from DNS simulation, a priori tests are used to study RANS and LES terms modelisation like the mixture fraction formulation (RANS) and the use of filtered variable in equation of state (LES)

Les méthodes spectrales sont connues pour leurs propriétés de convergence rapide et de précision. Cependant, leur application à l'hydrodynamique navale reste encore aujourd'hui peu étendue. Le but de ce doctorat est d'étudier les possibilités de leur application à la génération et propagation de houle, dans le cadre de la théorie des écoulements potentiels.
Un bilan des différentes approches spectrales employées jusqu'à présent en hydrodynamique navale est d'abord dressé, étayant le choix des techniques développées au cours de ce travail. L'étude des propriétés de ces techniques est ensuite réalisée sur le ‘noyau' de la méthode, i.e. une cuve tri-dimensionnelle de géométrie figée. En particulier, différentes techniques High-Order Spectral sont comparées entre elles et à la méthode directe, et une nouvelle variante est proposée. Des validations sur des cas de lâchers de surface libre et d'oscillations forcées de surface libre sont présentées et confrontées à diverses méthodes.
L'approche est ensuite étendue, à partir de ce ‘noyau' et au moyen de stratégies de ‘potentiel additionnel', donnant lieu au développement de divers modèles. Ainsi, des houles non-linéaires sont modélisées à l'aide de doublets tournants instationnaires spécifiquement développés. Des cas de reproduction de signaux temporels cibles à une distance, et de génération et propagation de houle irrégulière sont présentés. De plus, une caractéristique avantageuse d'une telle approche spectrale est exploitée pour proposer des modèles originaux de diffraction autour de corps. Ceux-ci allient une génération de houle par méthode spectrale à des modèles de diffraction en fluide parfait ou visqueux, formulés en changement de variable. Des exemples illustratifs de diffraction de cette houle autour de corps bi- ou tri-dimensionnels sont proposés.
Enfin, un modèle original de simulation complète, au second-ordre, du processus de génération et propagation en bassin de houle tri-dimensionnel est réalisé. Il inclut la modélisation de différents batteurs, ainsi qu'un modèle d'absorption, permettant notamment de reproduire les caractéristiques complètes du nouveau bassin de houle de l'École Centrale de Nantes. Ce modèle est validé par comparaison à une solution analytique en régime établi et ses propriétés numériques sont étudiées. L'investigation des ondes libres et leur suppression, ainsi que la caractérisation de zones utiles sont proposées à titre d'application.