Simulation numérique d'écoulements réactifs à petits nombres de Mach PDF Download
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Ce travail traite de la construction de schémas conservatifs efficaces, pour la résolution sur un maillage non structure de type éléments-finis, d'un système d'équations aux dérivés partielles qui décrit la propagation de fronts de flamme en milieu gazeux. On présente un solveur de Riemann approche pour les équations d'Euler décrivant un mélange de deux gaz ayant des propriétés différentes. Pour répondre à la disparité des échelles de temps et de longueur présente dans ce type d'écoulements (faible nombre de Mach et fronts de flamme très minces), On propose des schémas implicites utilisant une approximation décentrée. Cette approche possède de meilleures propriétés matricielles qu'une approximation centrée et rend ainsi possible l'utilisation d'un algorithme de relaxation (Gauss-Seidel). On poursuit, par la mise au point de schémas partiellement implicites, obtenus par une décomposition en parties lente et rapide des flux hyperboliques. On envisage alors la construction d'un schéma semi-implicite précis à l'ordre deux pour la partie lente des flux. On conclut par quelques applications. On s'intéresse à un problème modèle non linéaire d'acoustique. On utilise ensuite une procédure d'adaptation dynamique de maillage, pour étudier l'influence de la courbure des flammes sur leur extinction (modèle à densité constante) et une instabilité hydrodynamique conduisant à une flamme nommée Tulipe
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Ce travail traite de la construction de schémas conservatifs efficaces, pour la résolution sur un maillage non structure de type éléments-finis, d'un système d'équations aux dérivés partielles qui décrit la propagation de fronts de flamme en milieu gazeux. On présente un solveur de Riemann approche pour les équations d'Euler décrivant un mélange de deux gaz ayant des propriétés différentes. Pour répondre à la disparité des échelles de temps et de longueur présente dans ce type d'écoulements (faible nombre de Mach et fronts de flamme très minces), On propose des schémas implicites utilisant une approximation décentrée. Cette approche possède de meilleures propriétés matricielles qu'une approximation centrée et rend ainsi possible l'utilisation d'un algorithme de relaxation (Gauss-Seidel). On poursuit, par la mise au point de schémas partiellement implicites, obtenus par une décomposition en parties lente et rapide des flux hyperboliques. On envisage alors la construction d'un schéma semi-implicite précis à l'ordre deux pour la partie lente des flux. On conclut par quelques applications. On s'intéresse à un problème modèle non linéaire d'acoustique. On utilise ensuite une procédure d'adaptation dynamique de maillage, pour étudier l'influence de la courbure des flammes sur leur extinction (modèle à densité constante) et une instabilité hydrodynamique conduisant à une flamme nommée Tulipe
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L'approximation isobare du système d'équation de bilan de masse, de quantité de mouvement, d'énergie et des espèces chimiques est une approximation appropriée pour représenter les écoulements réactifs à faible nombre de Mach. Dans cette approximation, qui néglige les phénomènes acoustiques, le mélange est hydrodynamiquement incompressible et les effets thermodynamiques conduisent à une compression uniforme du système. Nous présentons une nouvelle méthode numérique pour cette approximation. Une méthode de projection incrémentale, qui utilise la forme originale du bilan de masse, assure la discrétisation temporelle des équations de Navier-stokes. La discrétisation spatiale est réalisée avec une méthode de volumes finis sur maillage décalé de type MAC. Un schéma de décentrement d'ordre élevé est utilisé pour l'estimation des flux convectifs. Nous associons à cette discrétisation, une méthode de raffinement local multi-niveaux, basée sur l'approche de Correction en Flux à l'Interface. Une première application concerne un écoulement forcé avec masse volumique variable donnée, imitant un problème de combustion. La deuxième application est le problème de convection naturelle, tout d'abord pour de faibles variations de température puis au-delà de la limite de validité de l'approximation de Boussinesq. Enfin, la troisième application est une flamme de diffusion laminaire. Pour chacun de ces cas-test, nous montrons la robustesse de la méthode numérique proposée, notamment vis à vis des variations de la masse volumique. Et nous analysons le gain en précision obtenu par la méthode de raffinement local multi-niveaux.
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LES TRAVAUX REALISES DANS CETTE ETUDE S'INSCRIVENT DANS LE CADRE DE L'ANALYSE DES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES. ELLE CONCERNE PLUS PARTICULIEREMENT LES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES PULSES EN CANAL. LE CHOIX DE CETTE CONFIGURATION A ETE FAITE DANS LE BUT D'ETUDIER SEPAREMENT L'INFLUENCE DES DIFFERENTS PARAMETRES QUI GERENT CE TYPE D'ECOULEMENT. LE TRAVAIL RAPPORTE CONCERNE: (I) LA VALIDATION D'UN CODE DE CALCUL ; (II) UNE ANALYSE PHYSIQUE: *TOUT D'ABORD, DANS LE CAS LAMINAIRE, *DANS LE CAS TRANSITIONNEL, PAR L'ETUDE DE L'INFLUENCE DE L'INSTATIONNARITE SUR LA TRANSITION DE LA COUCHE LIMITE, *ENFIN, DANS LE CAS PLUS COMPLEXE A SAVOIR L'ETAT TURBULENT OU UNE ETUDE PARAMETRIQUE S'AVERA UTILE DANS LA COMPREHENSION DES MECANISMES PHYSIQUES DE CE TYPE D'ECOULEMENT AINSI QUE DANS LE COMPORTEMENT DES DIFFERENTS MODELES DE TURBULENCE ; (III) UNE EVALUATION DES MODELES DE FERMETURE A ZERO EQUATION, A DEUX EQUATIONS ET A FAIBLES NOMBRES DE REYNOLDS DE TURBULENCE AINSI QU'UN MODELE AUX CONTRAINTES DE REYNOLDS ; (IV) LE BUT ULTIME DE CETTE ANALYSE DEVRA NOUS CONDUIRE A UNE MEILLEURE MODELISATION DES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES
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Cette étude porte sur une méthodologie permettant de calculer les champs thermodynamiques et cinématiques d'un modèle d'écoulement compressible dans lequel le nombre de Mach peut être petit devant l'unité. Un problème fondamental que l'on rencontre à bas nombre de Mach est que la vitesse d'écoulement du fluide et la célérité des ondes acoustiques dont il est le support relèvent d'échelles d'observation très différentes. L'algorithme retenu, de la forme estimation/correction, s'appuie sur une prise en compte implicite des termes véhiculant de l'information acoustique au sein de l'écoulement. Un rôle privilégié est attribué à la pression, qui joue un rôle-clef dans les découplages entre équations s'effectuant à mesure que le nombre de Mach décroît, comme cela apparaît lors des approches asymptotiques présentées. Les conditions d'interaction aéroacoustique à bas nombre de Mach, ainsi que les modalités de la disparition de cette interaction lorsque le nombre de Mach tend vers zéro, sont établies au niveau de la modélisation continue. Dans le cadre d'une méthode aux volumes finis d'ordre un centrés aux cellules, les propriétés asymptotiques continues peuvent être retrouvées au niveau discret à condition d'adopter l'interpolation centrée pour les pressions, flux de masse et vitesses aux interfaces entre cellules du maillage. L'effet d'une fluctuation de pression de fréquence acoustique sur l'énergie cinétique du gaz en écoulement est illustré numériquement avec ce choix d'interpolation, ainsi que le problème de découplage en damier qui apparaît alors. L'origine de ce problème est expliquée à l'aide d'une analyse asymptotique multi-échelle semi-discrète. Le défaut de consistance, au niveau asymptotique, de l'approximation numérique résultant de l'utilisation d'une dissipation numérique est discuté.
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L'objectif de cette thèse est d'apporter une contribution à la modélisation des écoulements de fluides compressibles et peu compressibles en utilisant le code de calcul kiva-ii. La première partie est consacrée à l'aspect théorique du problème, conduisant à une formulation mathématique adéquate. On y montre notamment les difficultés de la résolution numérique des équations de Navier-Stokes dans le cas des écoulements de fluides dits peu compressibles (écoulements à faible nombre de mach). Ces difficultés sont dues essentiellement à la grande disparité qu'il y a entre le temps caractéristique de la propagation des ondes acoustiques et celui lié à la convection. Une méthode est alors développée, elle consiste à utiliser l'hypothèse de faible nombre de mach pour éliminer les ondes acoustiques présentes dans l'écoulement et qui sont sans intérêts dans ce cas. Dans la deuxième partie, nous avons abordé l'étude des différentes méthodes numériques utilisées dans le code kiva-ii, ainsi que la caractérisation des algorithmes de résolution dont ils font appel. Une discussion concernant ce code, et les principales modifications dont il a fait l'objet sont présentées dans la troisième et la quatrième partie. La cinquième partie est consacrée à la présentation des cas tests que nous avons traités pour valider les différentes méthodes adoptées. Dans la sixième partie, nous avons abordé les modèles physiques pour la turbulence. Trois modèles de fermeture (modèle longueur de mélange, modèle à une équation de transport et modèle à deux équations de transport) sont alors étudiés et comparés
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Ce travail contribue au développement d'une méthode de calcul des écoulements turbulents compressibles à faible nombre de Mach avec la prise en compte d'effets de proche paroi. La région de proche paroi est le lieu où les taux de production et les maxima d'intensité de la turbulence sont les plus élevés. La distinction des différents mécanismes de production de la turbulence nécessite alors un surcroît de moyen pour l'analyse. Ceci est particulièrement vrai pour les études numériques, où le fort gradient de la dissipation de l'énergie cinétique turbulente requiert une haute résolution, typiquement de l'ordre de 60 à 100 nœuds à travers la couche limite. La résolution numérique de la sous-couche visqueuse est testée longtemps inaccessible à cause de la limitation des ressources informatiques, au moins pour les écoulements complexes. Afin d'obtenir un compromis raisonnable entre le temps de calcul, et la qualité des résultats nous développons une approche bicouche qui introduit des effets bas Reynolds dans les modèles de turbulence k - ε et ui''uj" - ε. Nous avons de plus analysé l'impact de la viscosité numérique sur la qualité des résultats pour des écoulements à faible nombre de Mach. Nos simulations confirment le comportement pathologique du solveur hyperbolique, résultant de l'approximation erronée du schéma de Roe. Une correction du schéma utilisant le préconditionnement de Turkel permet de supprimer l'excès de viscosité numérique et améliore la précision de la solution. Des résultats de simulations d'écoulements bidimensionnels non réactifs sont présentes. L'étude d'écoulements cisaillés avec ou sans recirculations dans des configurations académique et industrielle donnent lieu à une évaluation précise des modèles développés.
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[Résumé en français] La simulation numérique de réacteurs industriels promet de devenir un outil précieux aidant à prospecter de nouvelles technologies de mélange, à dimensionner et à optimiser les conditions de fonctionnement du réacteur. Ces calculs deviennent difficiles dans le cas de réactions rapides (polymérisations anioniques, précipitations) où existe un fort couplage entre la réaction chimique et le mélange. Ce travail de thèse a pour but d'évaluer et de valider la simulation d'écoulements réactifs pour des applications de génie chimique avec une méthode que nous avons choisie pour sa capacité à tenir compte des interactions entre processus de mélange turbulent et réactions chimiques rapides. La méthode sélectionnée est une méthode basée sur la résolution numérique des équations de Navier-Stokes en milieu turbulent et l'équation de transport de la fonction de densité de probabilité jointe de la composition (PDF) à l'aide d'un algorithme de Monte-Carlo. L'évaluation s'est faite sur un réacteur de précipitation semi-batch de type Taylor-Couette. Chaque étape du calcul a été validée expérimentalement. Au terme de ce travail, il a été montré que l'emploi de ce type d'approche pour le calcul d'un réacteur industriel est hasardeux et délicat. Il demande une validation de l'écoulement, le calage de 2 constantes de modélisation et la connaissance précise des cinétiques de réaction. Enfin, l'utilisation d'un algorithme de type Monte-Carlo engendre un bruit numérique qui selon le type d'écoulement peut nuire à la fiabilité des résultats. Le cas traité n'a pas donné des résultats totalement conformes à l'expérience. La méthode numérique utilisée n'est pas pour autant remise en question car le cas traité était par nature délicat
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LE BUT DE CE TRAVAIL EST DE SIMULER NUMERIQUEMENT L'ECOULEMENT HYPERSONIQUE AUTOUR D'UN ENGIN SPATIAL LORS DE SA RENTREE ATMOSPHERIQUE. ON RESOUT D'ABORD UN PROBLEME MONODIMENSIONNEL MODELISANT LES PHENOMENES DE DISSOCIATION CHIMIQUE ET DE RELAXATION DERRIERE UN CHOC FORT DETACHE PAR UNE METHODE D'AVANCEMENT EN ESPACE. ON EXAMINE ENSUITE LA STABILITE DES SCHEMAS DECENTRES POUR LES EQUATIONS BIDIMENSIONNELLES DE CONVECTION ET DE CONVECTION-DIFFUSION D'UNE ESPECE. ON ETUDIE ENSUITE DES ECOULEMENTS REACTIFS BIDIMENSIONNELS REGIS PAR LES EQUATIONS D'EULER PUIS DE NAVIER-STOKES AUXQUELLES ON AJOUTE UN MODELE DE DISSOCIATION CHIMIQUE HORS-EQUILIBRE. DANS UNE APPROCHE PSEUDO-INSTATIONNAIRE, ON UTILISE UNE DISCRETISATION SPATIALE DE TYPE MIXTE VOLUMES FINIS/ELEMENTS FINIS P1 DECENTRES APPLICABLE A DES MAILLAGES TRIANGULAIRES NON STRUCTURES. L'EXTENSION A L'ORDRE 2 EST FAITE PAR LA METHODE M.U.S.C.L. L'INTRODUCTION DES EQUATIONS DE BILAN DES ESPECES EST REALISEE SELON L'APPROCHE DECOUPLEE ET L'UTILISATION D'UN GAMMA-EQUIVALENT. LE TERME DE PRODUCTION DES ESPECES EST TRAITE IMPLICITEMENT. CETTE METHODE EST VALIDEE. ON PRESENTE ENFIN DES SOLUTIONS NUMERIQUES D'ECOULEMENTS (NON VISQUEUX ET VISQUEUX) AUTOUR DE CORPS EMOUSSES ET D'UNE GEOMETRIE DE DOUBLE-ELLIPSE MODELISANT LA NAVETTE EUROPEENNE HERMES
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Les calculs d'écoulements stationnaires peuvent être considérés comme efficace si l‘état stationnaire est atteint pour un temps CPU réduit mais aussi si la place mémoire utilisée reste faible ; Ceci vaut également pour les écoulements instationnaires, désormais classiquement résolus via une approche pas-de-temps dual pour laquelle les états physiques successifs sont vus comme des états stationnaires vis-à-vis d'un temps fictif. Le besoin crucial de méthodes implicites à faible encombrement mémoire a conduit au développement de traitements sans matrice. Pour les applications qui intéressent le CEA, à savoir la simulation d'écoulements réactifs multi-espèces à l'intérieur d'une enceinte de réacteur nucléaire à eau pressurisée, les méthodes doivent être assez versatiles pour traiter la gamme d'écoulements allant du quasi-incompressible au fortement compressible. Le présent travail montre comment obtenir un traitement implicite sans matrice pour tout régime d'écoulement lorsque la phase implicite contient une matrice de préconditionnement; l'efficacité intrinsèque du schéma implicite sans matrice couplé à une technique de relaxation de type Jacobi par point (PJ) ou Symmetric Gauss-Seidel (SGS) est étudiée grâce à une analyse de Von Neumann; puis des comparaisons avec des méthodes implicites blocs standards sont effectuées. La méthode implicite sans matrice est finalement implémentée au sein du code non-structuré CAST3M et elle est appliquée à la modélisation d'un Té de mélange à faible nombre de Mach. Le schéma implicite sans matrice constitue une alternative compétitive pour la simulation des écoulements compressibles et faiblement compressibles en maillages non-structurés.
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LA PRESENTE ETUDE EST CONSACREE AU DEVELOPPEMENT D'OUTILS NUMERIQUES PERMETTANT LA PREDETERMINATION D'ECOULEMENTS EN REGIME LAMINAIRE OU TURBULENT, AUTOUR DE VEHICULES EVOLUANT A DES VITESSES ELEVEES. LA COMPLEXITE DU PROBLEME CONSIDERE RELEVE DE DEUX TRAITS ESSENTIELS QUI SONT: D'UNE PART, LA GEOMETRIE DU PROFIL, COMPRENANT UN BORD D'ATTAQUE ARRONDI ET UNE RAMPE DE RECOMPRESSION QUI ENTRAINENT RESPECTIVEMENT LA FORMATION D'UN CHOC FRONTAL DETACHE ET D'UNE ZONE DE RECIRCULATION, D'AUTRE PART, L'ETENDUE DE LA GAMME DE VITESSES CONSIDEREES. LE TRAVAIL CONSIGNE DANS LE MEMOIRE S'ARTICULE EN TROIS PARTIES. LES DEUX PREMIERES RELATENT LE CALCUL D'ECOULEMENTS EN REGIME LAMINAIRE, A DES NOMBRES DE MACH INFINI AMONT MODERES (INFERIEURS OU EGAUX A 5) PUIS A DES NOMBRES DE MACH HYPERSONIQUES. LA DERNIERE ENVISAGE LA FAISABILITE D'UNE ETUDE EN REGIME TURBULENT DE CE TYPE D'ECOULEMENTS. LE CALCUL D'ECOULEMENTS A DES NOMBRES DE MACH MODERES, TANT EN REGIME LAMINAIRE QUE TURBULENT, REPOSE SUR L'EMPLOI DU SCHEMA PREDICTEUR-CORRECTEUR DE MAC CORMACK (1985), INTEGRANT LA PROCEDURE DE DECOMPOSITION DES FLUX DE STEGER ET WARMING. EN REGIME TURBULENT, LES MODELES DE BALDWIN-LOMAX ET DE JONES-LAUNDER, BASES SUR LE CONCEPT DE VISCOSITE TOURBILLONNAIRE ONT ETE SUCCESSIVEMENT IMPLANTES. L'UTILISATION DE LA METHODE DE MAC CORMACK, N'AYANT PAS AUTORISE L'ETUDE D'ECOULEMENTS INFINI AMONT HYPERSONIQUES, CELLE-CI FUT RENDUE POSSIBLE PAR L'ADOPTION D'UN SCHEMA NUMERIQUE TVD SUIVANT L'APPROCHE MUSCL PROPOSEE PAR VAN LEER
Author: Gérard Fernandez
Author: Gérard Fernandez
Author: Xavier Coré
Author: Mustapha-el-Habib Boudghène-Stambouli
Author: Yann Moguen
Author: Morjane Himdi
Author: Olivier Guerriau
Author: Élise Fournier
Author: Nathalie Glinsky
Author: Thibaud Kloczko
Author: Florence Pavie