MODELISATION DIPHASIQUE D'ECOULEMENTS CAVITANTS AVEC EFFETS THERMODYNAMIQUES PDF Download
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Author: NICOLAS.. CHARLES Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 170
Book Description
LE BESOIN DE FORTE PUISSANCE ASSOCIE A UNE REDUCTION DU POIDS CONDUIT A FAIRE FONCTIONNER LES TURBOPOMPES DES MOTEURS FUSEE DANS DES CONDITIONS DE PLUS EN PLUS POUSSEES, EN PARTICULIER AVEC DES PRESSIONS D'ASPIRATION TRES FAIBLES, ENTRAINANT LA NAISSANCE DE POCHE DE CAVITATION ATTACHEES AUX AUBES. L'ENERGIE NECESSAIRE A LA VAPORISATION PROVOQUE UN ABAISSEMENT LOCAL DE LA TEMPERATURE, QUI LIMITE LE DEVELOPPEMENT DE LA CAVITE. CE PHENOMENE, APPELE EFFET THERMODYNAMIQUE, EST DECRIT ICI PAR UN MODELE DIPHASIQUE HOMOGENE A PARTIR D'UN PRECEDENT MODELE DE CAVITATION EN EAU FROIDE. LE COMPORTEMENT DU MELANGE LIQUIDE-VAPEUR SUPPOSE EN EQUILIBRE THERMIQUE EST SIMPLEMENT DECRIT PAR DES LOIS THERMODYNAMIQUES, UNE EQUATION D'ENERGIE EST DE PLUS AJOUTEE A NOTRE MODELE. DU FAIT DE L'IMPORTANCE PRESUMEE DES TRANSFERTS THERMIQUES TURBULENTS A L'INTERFACE SUR CE PHENOMENE, UN MODELE DE TURBULENCE K-EPSILON A ETE ADAPTE AU CAS D'UN MELANGE LIQUIDE-VAPEUR ET VALIDE PAR COMPARAISON A DES MESURES LASER SUR UN VENTURI CAVITANT. LA SIMULATION AVEC CE CODE D'ECOULEMENTS CAVITANTS, AVEC UN FLUIDE THERMOSENSIBLE, A MONTRE LA PRESENCE IMPORTANTE DE LIQUIDE DANS LA POCHE, COMME CELA A ETE MESURE DANS LE CAS DE L'EAU FROIDE. EN CONSEQUENCE L'INFLUENCE DE LA CONDUCTION A L'INTERFACE S'AVERE FAIBLE DEVANT LES ECHANGES DE CHALEUR ENTRE LES PHASES DANS LA CAVITE ET L'EFFET THERMODYNAMIQUE EST ALORS CONTROLE PAR UN EQUILIBRE ENTRE LA VAPORISATION ET LA DYNAMIQUE DE L'ECOULEMENT DANS LA CAVITE. LA TEMPERATURE CALCULEE DANS LA POCHE EST EN BON ACCORD AVEC L'EXPERIENCE A FAIBLE VITESSE MAIS L'EFFET DES PARAMETRES DE L'ECOULEMENT EST MAL DECRIT. UNE ANALYSE DES RESULTATS EXPERIMENTAUX MONTRE QUE NOUS DEVONS AJOUTER UN MODELE DE CINETIQUE DE VAPORISATION A NOTRE MODELE
Author: NICOLAS.. CHARLES Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 170
Book Description
LE BESOIN DE FORTE PUISSANCE ASSOCIE A UNE REDUCTION DU POIDS CONDUIT A FAIRE FONCTIONNER LES TURBOPOMPES DES MOTEURS FUSEE DANS DES CONDITIONS DE PLUS EN PLUS POUSSEES, EN PARTICULIER AVEC DES PRESSIONS D'ASPIRATION TRES FAIBLES, ENTRAINANT LA NAISSANCE DE POCHE DE CAVITATION ATTACHEES AUX AUBES. L'ENERGIE NECESSAIRE A LA VAPORISATION PROVOQUE UN ABAISSEMENT LOCAL DE LA TEMPERATURE, QUI LIMITE LE DEVELOPPEMENT DE LA CAVITE. CE PHENOMENE, APPELE EFFET THERMODYNAMIQUE, EST DECRIT ICI PAR UN MODELE DIPHASIQUE HOMOGENE A PARTIR D'UN PRECEDENT MODELE DE CAVITATION EN EAU FROIDE. LE COMPORTEMENT DU MELANGE LIQUIDE-VAPEUR SUPPOSE EN EQUILIBRE THERMIQUE EST SIMPLEMENT DECRIT PAR DES LOIS THERMODYNAMIQUES, UNE EQUATION D'ENERGIE EST DE PLUS AJOUTEE A NOTRE MODELE. DU FAIT DE L'IMPORTANCE PRESUMEE DES TRANSFERTS THERMIQUES TURBULENTS A L'INTERFACE SUR CE PHENOMENE, UN MODELE DE TURBULENCE K-EPSILON A ETE ADAPTE AU CAS D'UN MELANGE LIQUIDE-VAPEUR ET VALIDE PAR COMPARAISON A DES MESURES LASER SUR UN VENTURI CAVITANT. LA SIMULATION AVEC CE CODE D'ECOULEMENTS CAVITANTS, AVEC UN FLUIDE THERMOSENSIBLE, A MONTRE LA PRESENCE IMPORTANTE DE LIQUIDE DANS LA POCHE, COMME CELA A ETE MESURE DANS LE CAS DE L'EAU FROIDE. EN CONSEQUENCE L'INFLUENCE DE LA CONDUCTION A L'INTERFACE S'AVERE FAIBLE DEVANT LES ECHANGES DE CHALEUR ENTRE LES PHASES DANS LA CAVITE ET L'EFFET THERMODYNAMIQUE EST ALORS CONTROLE PAR UN EQUILIBRE ENTRE LA VAPORISATION ET LA DYNAMIQUE DE L'ECOULEMENT DANS LA CAVITE. LA TEMPERATURE CALCULEE DANS LA POCHE EST EN BON ACCORD AVEC L'EXPERIENCE A FAIBLE VITESSE MAIS L'EFFET DES PARAMETRES DE L'ECOULEMENT EST MAL DECRIT. UNE ANALYSE DES RESULTATS EXPERIMENTAUX MONTRE QUE NOUS DEVONS AJOUTER UN MODELE DE CINETIQUE DE VAPORISATION A NOTRE MODELE
Author: Boris Charrière Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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La simulation numérique des écoulements turbulents cavitants revêt de nombreuses difficultés tant dans la modélisation des phénomènes physiques que dans le développement de méthodes numériques robustes. En effet de tels écoulements sont caractérisés par un changement de phase associé à des gradients de la masse volumique, des variations du nombre de Mach causées par une chute de la vitesse du son, des zones de turbulence diphasique et la présence d'instationnarités.Les travaux de la présente thèse s'inscrivent dans la continuité des études expérimentales et numériques menées au sein du Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels (LEGI),qui visent à améliorer la compréhension et la modélisation d'écoulements cavitants. Les simulations s'appuient sur un code compressible associé à une technique de pré-contionnement bas-Mach qui permet de traiter les zones incompressibles. Les écoulements diphasiques sont reproduits à l'aide d'un modèle de mélange homogène 1-fluide avec discrétisation implicite en pas de temps dual. Enfin la résolution adopte l'approche moyennée RANS qui couple le système des équations de conservation avec des modèles de turbulence du premier ordre basés sur la notion de viscosité turbulente.Dans les zones diphasiques, le calcul des variables thermodynamiques nécessite l'introduction d'équations d'état. La pression au sein du mélange est ainsi reliée aux grandeurs conservatives soit à partir d'une équation d'état de mélange des gaz raides, soit par une relation sinusoïdale incorporant la fraction volumique de vapeur (le taux de vide). La valeur ajoutée de ces travaux de thèse repose sur l'introduction d'une équation de transport pour le calcul du taux de vide. Celle-ci incorpore un terme source dont le transfert de masse entre les phases est fermé grâce à une hypothèse de proportionnalité à la divergence du champ de vitesse. Outre l'amélioration des phénomènes de convection, de dilatation et de collapse, cette équation supplémentaire permet de relaxer l'équilibre thermodynamique local et d'introduire un état métastable pour la phase vapeur.Les simulations 2D et 3D sont réalisées sur des géométries de type Venturi caractérisées par le développement de poches de cavitation partielle instables. L'objectif consiste à reproduire les instationnarités inhérentes à chaque profil telles que la formation d'un jet rentrant liquide à proximité de la paroi ou la production de nuages de vapeur convectés par l'écoulement principal.Les résultats numériques mettent en avant une variation de la fréquence des instationnarités en fonction du calcul de la vitesse du son en zone de mélange. D'autre part, la prise en compte de déséquilibre de la phase vapeur amplifie les phénomènes de propagation d'ondes de pression générées par le collapse des structures cavitantes et participe à la déstabilisation de la poche. Enfin, l'influence de l'équation de transport de taux de vide est analysée en confrontant les résultats des simulations à ceux obtenus ultérieurement à partir d'un modèle à seulement trois équations de conservation.
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L'EFFET THERMODYNAMIQUE EST ETUDIE EXPERIMENTALEMENT DANS LE CAS D'UNE POCHE CAVITANTE, ATTACHEE DANS UN VENTURI, SE DEVELOPPANT DANS UN LIQUIDE THERMOSENSIBLE. CET EFFET SE MANIFESTE PAR UN REFROIDISSEMENT DE LA POCHE PAR RAPPORT A LA TEMPERATURE D'ENTREE DU LIQUIDE QUI EST A DETERMINER EN FONCTION DES CARACTERISTIQUES CAVITANTES DE L'ECOULEMENT. SELON LES MODELES A INTERFACE, CE REFROIDISSEMENT EST CONTROLE PAR LE FLUX THERMIQUE DU LIQUIDE VERS LA POCHE, LUI MEME FONCTION DES PARAMETRES TURBULENTS DU LIQUIDE. DES MESURES LASER DE VITESSE ET DE TURBULENCE AUTOUR DE POCHES ONT DONC ETE REALISEES. POUR LE LIQUIDE THERMOSENSIBLE, LE FORANE 114, LA TEMPERATURE DE POCHE A ETE MESUREE POUR CONNAITRE LE REFROIDISSEMENT REEL ; DES MESURES DE PRESSION ONT EGALEMENT ETE FAITES AFIN DE VERIFIER L'HYPOTHESE D'EQUILIBRE THERMODYNAMIQUE. LES MESURES LASER AUTOUR DE POCHES CAVITANTES EN EAU FROIDE SONT COMPAREES AUX MESURES PRES DE POCHES VENTILEES AFIN DE CARACTERISER LA CAVITATION SANS EFFET THERMODYNAMIQUE, PUIS DES MESURES LASER PRES DE POCHES CAVITANTES AU FORANE PERMETTENT DE SPECIFIER L'ACTION DE L'EFFET THERMODYNAMIQUE. L'EFFET DES PARAMETRES TELS QUE LA VITESSE D'ECOULEMENT, LA LONGUEUR DE POCHE ET, DANS LE CAS DU FORANE, DE LA TEMPERATURE, EST ETUDIEE. A L'EAU, L'ECOULEMENT CONTOURNE LA CAVITE TANDIS QU'AU FORANE, UN DEBIT LIQUIDE ENTRANT DANS LA POCHE EST ESTIME. DES MODELES SIMPLES PERMETTENT DE CALCULER, A PARTIR DES MESURES DANS LE FORANE, LE FLUX CEDE PAR LE LIQUIDE A LA CAVITE, ET LE FLUX NECESSAIRE A UNE CAVITE DE VAPEUR PURE. LA COMPARAISON DES FLUX AINSI QUE LE DEBIT ENTRANT DANS LA CAVITE MONTRENT QUE LA POCHE EST PROBABLEMENT CONSTITUEE D'UN MELANGE DIPHASIQUE ; DANS CE CAS, LE FLUX THERMIQUE CEDE PAR LE LIQUIDE INTERVIENT PEU SUR LE REFROIDISSEMENT ET L'EFFET THERMODYNAMIQUE EST ESSENTIELLEMENT LIE AU TAUX DE VIDE LOCAL
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L'EFFET THERMODYNAMIQUE EST ETUDIE EXPERIMENTALEMENT DANS LE CAS D'UNE POCHE CAVITANTE, ATTACHEE DANS UN VENTURI, SE DEVELOPPANT DANS UN LIQUIDE THERMOSENSIBLE. CET EFFET SE MANIFESTE PAR UN REFROIDISSEMENT DE LA POCHE PAR RAPPORT A LA TEMPERATURE D'ENTREE DU LIQUIDE QUI EST A DETERMINER EN FONCTION DES CARACTERISTIQUES CAVITANTES DE L'ECOULEMENT. SELON LES MODELES A INTERFACE, CE REFROIDISSEMENT EST CONTROLE PAR LE FLUX THERMIQUE DU LIQUIDE VERS LA POCHE, LUI MEME FONCTION DES PARAMETRES TURBULENTS DU LIQUIDE. DES MESURES LASER DE VITESSE ET DE TURBULENCE AUTOUR DE POCHES ONT DONC ETE REALISEES. POUR LE LIQUIDE THERMOSENSIBLE, LE FORANE 114, LA TEMPERATURE DE POCHE A ETE MESUREE POUR CONNAITRE LE REFROIDISSEMENT REEL ; DES MESURES DE PRESSION ONT EGALEMENT ETE FAITES AFIN DE VERIFIER L'HYPOTHESE D'EQUILIBRE THERMODYNAMIQUE. LES MESURES LASER AUTOUR DE POCHES CAVITANTES EN EAU FROIDE SONT COMPAREES AUX MESURES PRES DE POCHES VENTILEES AFIN DE CARACTERISER LA CAVITATION SANS EFFET THERMODYNAMIQUE, PUIS DES MESURES LASER PRES DE POCHES CAVITANTES AU FORANE PERMETTENT DE SPECIFIER L'ACTION DE L'EFFET THERMODYNAMIQUE. L'EFFET DES PARAMETRES TELS QUE LA VITESSE D'ECOULEMENT, LA LONGUEUR DE POCHE ET, DANS LE CAS DU FORANE, DE LA TEMPERATURE, EST ETUDIEE. A L'EAU, L'ECOULEMENT CONTOURNE LA CAVITE TANDIS QU'AU FORANE, UN DEBIT LIQUIDE ENTRANT DANS LA POCHE EST ESTIME. DES MODELES SIMPLES PERMETTENT DE CALCULER, A PARTIR DES MESURES DANS LE FORANE, LE FLUX CEDE PAR LE LIQUIDE A LA CAVITE, ET LE FLUX NECESSAIRE A UNE CAVITE DE VAPEUR PURE. LA COMPARAISON DES FLUX AINSI QUE LE DEBIT ENTRANT DANS LA CAVITE MONTRENT QUE LA POCHE EST PROBABLEMENT CONSTITUEE D'UN MELANGE DIPHASIQUE ; DANS CE CAS, LE FLUX THERMIQUE CEDE PAR LE LIQUIDE INTERVIENT PEU SUR LE REFROIDISSEMENT ET L'EFFET THERMODYNAMIQUE EST ESSENTIELLEMENT LIE AU TAUX DE VIDE LOCAL
Author: David Iampietro Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 0
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Les travaux de thèse sont axés sur les méthodes numériques pour les écoulements diphasiques, compressibles, à faible vitesse, avec apparition soudaine de forts gradients de pression. La vitesse matérielle de chacune des phases étant très petite devant la célérité des ondes acoustiques, le régime d'écoulement est dit à faible nombre de Mach. Dans ce travail, la loi d'état de la phase considérée contient toujours une information mesurant sa plus ou moins grande compressibilité. Ainsi, la faible compressibilité de l'eau peut produire un régime d'écoulement où des sauts de pression importants apparaissent même si le nombre de Mach est très faible. La première partie de la thèse s'est focalisée sur un modèle diphasique dit homogène-équilibré. Les deux phases de l'écoulement ont alors la même vitesse, pression, température et même potentiel chimique. Un premier travail a été la construction de solveurs de Riemann approchés dits tout-nombre-de-Mach. En l'absence de transitoire rapide, ces solveurs basent leur contrainte de pas de temps sur la vitesse des ondes matérielles lentes et sont donc précis pour suivre ces dernières. En revanche, lorsqu'une onde de choc rapide traverse l'écoulement, ces solveurs s'adaptent automatiquement afin de la capturer. La seconde partie de la thèse s'est focalisée sur la prise en compte du couplage convection-source dans le cadre des modèles en approche bi-fluides avec effets de relaxation pression-vitesse. Dans ces modèles, les deux phases de l'écoulement possèdent leur propre jeu de variables. Dans ce travail, un schéma implicite à mailles décalées, basé sur l'influence des termes sources dans des problèmes de Riemann linéaires, a été proposé
Author: Guillaume Prigent (docteur en physique).) Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Ce travail de thèse est consacré à la modélisation et simulation numérique d'écoulements diphasiques liquide-gaz mettant en jeu des transferts de chaleur. La simulation de configurations où la prise en compte des effets de compressibilité de la phase gazeuse est indispensable (micropompes, microactionneurs, etc...) a nécessité l'utilisation d'un modèle original, considérant le liquide incompressible et le gaz compressible sous l'hypothèse faible Mach. Lors de cette thèse, ce modèle a été implémenté dans un code diphasique prenant en compte l'interface à l'aide d'une méthode de front-tracking. Des cas tests ont été développés spécifiquement afin de vérifier la conservation de l'énergie pour des configurations de complexité croissante. Les résultats des cas tests ont permis de mettre en évidence la difficulté à assurer la conservation de l'énergie lorsque l'interface n'est pas discontinue mais lissée, comme c'est le cas dans la méthode de front-tracking standard. Une méthode de traitement d'interface hybride a été proposée, rétablissant le caractère discontinu de l'interface avec la reconstruction d'une fonction indicatrice de phase échelon, tandis que le déplacement de l'interface est assuré d'un pas de temps à l'autre à l'aide du front-tracking. Les résultats obtenus avec cette nouvelle méthode hybride sont très satisfaisants, la méthode hybride permettant d'assurer la conservation de l'énergie et de la masse avec précision dans les simulations.
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Ce travail a pour thème la simulation numérique d'écoulements diphasiques dans un contexte industriel. En effet, la simulation d'écoulements diphasiques est un domaine qui présente de nombreux défis, en raison de phénomènes complexes qui surviennent, comme la cavitation et autres transferts entre les phases. En outre, ces écoulements se déroulent généralement dans des géométries complexes rendant difficile une résolution efficiente. Les modèles que nous considérons font partie de la catégorie des modèles à interfaces diffuses et permettent de prendre en compte aisément les différents transferts entre les phases. Cette classe de modèles inclut une hiérarchie de sous-modèles pouvant simuler plus ou moins d'interactions entre les phases. Pour mener à bien cette étude nous avons en premier lieu comparé les modèles diphasiques dits à quatre équations et six équations, en incluant les effets de transfert de masse. Nous avons ensuite choisi de nous concentrer sur le modèle à quatre équations. L'objectif majeur de notre travail a alors été d'étendre les méthodes aux résidus distribués à ce modèle. Dans le contexte des méthodes de résolution numérique, il est courant d'utiliser la forme conservative des équations de bilan. En effet, la résolution sous forme non-conservative conduit à une mauvaise résolution du problème. Cependant, résoudre les équations sous forme non-conservative peut s'avérer plus intéressant d'un point de vue industriel. Dans ce but, nous utilisons une approche développée récemment permettant d'assurer la conservation en résolvant un système sous forme non-conservative, à condition que la forme conservative soit connue. Nous validons ensuite notre méthode et l'appliquons à des problèmes en géométries complexes. Finalement, la dernière partie de notre travail est dédiée à étudier la validité des modèles à interfaces diffuses pour des applications à des problèmes industriels réels. On cherche alors, en utilisant des méthodes de quantification d'incertitude, à obtenir les paramètres rendant nos simulations les plus vraisemblables et cibler les éventuels développements pouvant rendre nos simulations plus réalistes.
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LES PERFORMANCES CROISSANTES DES TURBOMACHINES HYDRAULIQUES NECESSITENT UNE MODELISATION DES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES, SUBCAVITANTS ET CAVITANTS, ABORDEE ICI EN BIDIMENSIONNEL PAR UNE DISCRETISATION VOLUMES FINIS DES EQUATIONS D'EULER, SUR UN MAILLAGE CURVILIGNE ORTHOGONAL. UN MODELE DIPHASIQUE 2D-1FL DE POCHES DE CAVITATION A ETE DEVELOPPE, AINSI QU'UN ALGORITHME IMPLICITE POUR UN ECOULEMENT ALLANT DE L'INCOMPRESSIBLE AU SUPERSONIQUE. LES RESULTATS SUBCAVITANTS ONT ETE COMPARES A DES EXPERIENCES DE PROFIL OSCILLANT: LA CONFRONTATION EST SATISFAISANTE DANS LE CAS OU LES EFFETS VISQUEUX SONT NEGLIGEABLES, ET SOULIGNE L'INTERET DES SCHEMAS DE DISCRETISATION DU SECOND ORDRE (QUICK, SMART...), PAR RAPPORT AU SCHEMA AMONT. LES CALCULS DE CAVITATION INSTATIONNAIRE MENENT, SANS APPORT EMIRIQUE, A DES POCHES PULSANTES ET DES STRUCTURES DIPHASIQUES TOURBILLONNAIRES ENTRAINEES, QUI ONT ETE OBSERVEES EXPERIMENTALEMENT DANS D'AUTRES ETUDES
Author: NICOLAS.. CHARLES
Author: NICOLAS.. CHARLES
Author: Boris Charrière
Author: Lucie Merle
Author: LUCIE.. MERLE
Author: David Iampietro
Author: Guillaume Prigent (docteur en physique).)
Author: Julien Carlier
Author: Yves Delannoy
Author: 
Author: Blaine Raphael Parkin