Modélisation et simulation d'écoulements turbulents cavitants avec un modèle de transport de taux de vide

The computation of turbulent cavitating flows involves many difficulties both in modeling the physical phenomena and in the development of robust numerical methods. Indeed such flows are characterized by phase transitions and large density gradients, Mach number variation due to speed of sound decrease, two-phase turbulent areas and unsteadiness.This thesis follows experimental and numerical studies led at the Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels which aim to improve the understanding and modeling of cavitating flows. Simulations are based on a compressible code coupled with a pre-conditionning technique which handles low-Mach number areas. The two-phase flows are reproduced using a one-fluid homogeneous model and temporal discretisation is performed using an implicit dual-time stepping method . The resolution is based on the RANS approach that couples conservation equations with firts-order closure models to compute eddy viscosity.In two-phase flows areas, the computation of thermodynamic quantities requires to close the system with equations of state (EOS). Thus, two formulations are investigated to determine the pressure in the mixture. The stiffened gas EOS is written with conservative quantities while a sinusoidal law deduces the pressure from the volume fraction of vapor (the void fraction). The present study improves the homogeneous equilibrium models by including a transport equation for the void ratio. The mass transfer between phases is assumed to be proportional to the divergence of the velocity. In addition to a better modeling of convection, expansion and collapse phenomenon, this added transport equation allows to relax the local thermodynamic equilibrium and to introduce a mestastable state to the vapor phase.2D and 3D simulations are performed on Venturi type geometries characterized by the development of unstable partial cavitation pockets. The goal is to reproduce unsteadiness linked to each profile such as the formation of a re-entrant jet or the quasi-periodic vapor clouds shedding. Numerical results highlight frequency variations of unsteadiness depending on the speed of sound computation. Moreover, the simulation conducted with a relaxed vapor density increase the pressure wave propagation magnitude generated by the collapse of cavitating structures. It contributes to the destabilization of the pocket. Finally, the role of the void ratio equation is analyzed by comparing the simulation results to those obtained subsequently from a model involving only three conservation equations.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

Instabilités de sillage générées derrière un corps solide cylindrique, fixe ou mobile dans un fluide visqueux

Ce travail porte sur la compréhension des instabilités de sillage générées par des corps solides axisymétriques immergés dans un fluide newtonien incompressible, homogène et monophasique. La forme des objets est principalement cylindrique; leur hauteur est toujours inférieure à leur diamètre. Des comparaisons sont effectuées avec le cas référent de la sphère solide. Deux contextes sont abordés: le cas fixe et le cas mobile. Le premier cas se penche sur la formation de structures tourbillonnaires en aval d'un obstacle fixe, dû à un écoulement incident uniforme et stationnaire. Le paramètre adimensionnel gouvernant la physique du problème est le nombre de Reynolds basé sur la vitesse incidente, la taille caractéristique de l'objet et la viscosité cinématique du fluide. La gamme balayée du nombre de Reynolds permet l'obtention des écoulements de Stokes jusqu'à la transition vers le chaos. Le second cas place le corps libre de se mouvoir dans un fluide visqueux au repos, sous l'effet de la gravité. Les paramètres pertinents, ici, seront le rapport des masses volumiques, le nombre d'Archimède (ou nombre de Galilée) tenant compte des effets de flottabilité, de la viscosité et des dimensions géométriques propres au corps. Les régimes hydrodynamiques observés correspondent à la même catégorie que ceux précédemment cités pour les corps fixes. L'outil utilisé pour approcher le sujet est la simulation numérique. Le code employé résout les équations de Navier-Stokes 3D instationnaires de manière directe avec, pour la partie dynamique, la résolution couplée des équations de Kirchhoff généralisées. Une étude mathématique, basée sur la théorie des formes normales, est développée pour aider à la cartographie des bifurcations rencontrées, ainsi qu'à la caractérisation des différents modes instationnaires.This work is about the understanding of instabilities developped in the wake of solid axisymetric bodies immersed into a newtonian, homogenous, incompressible and monophasic fluid. The shape of objects is cylindrical; their height do not exceed their diameter. Comparisons are done in reference with the solid sphere case. Two approaches are considered: the fixed and the dynamic cases. For the first case, we study the generation of vortex backing fixed obstacles, due to the incoming steady flow. Reynolds number, based on a characteristic lenght of the system, the fluid's kinematic viscosity and the incident velocity, permits the access of creeping flows until the route to chaos. For the second case, the body is placed freely in a viscous and inert fluid under the effect of gravity field. Hereby, adimensional parameters are the ratio of density, buoyancy force, viscosity and body's geometric characteristics. Observed hydrodynamic regimes are equivalent to the ones of the fixed case. To investigate this problem, a numerical approach is undertaken. The code solves unsteady 3D Navier-Stokes equations by direct simulation with a coupled resolution of generalised kirchohff laws in the dynamic case. Moreover, a mathematic approach based on normal forms is developped and contributes to the bifurcations mapmaking

Instabilités de sillage générées derrière un corps solide, fixe ou mobile dans un fluide visqueux

Ce travail porte sur la compréhension des instabilités de sillage générées par des corps solides axisymétriques immergés dans un fluide newtonien incompressible, homogène et monophasique. La forme des objets est principalement cylindrique ; leur hauteur est toujours inférieure à leur diamètre. Des comparaisons sont effectuées avec le cas référent de la sphère solide. Deux contextes sont abordés : le cas fixe et le cas mobile. Le premier cas se penche sur la formation de structures tourbillonnaires en aval d'un obstacle fixe, dû à un écoulement incident uniforme et stationnaire. Le paramètre adimensionnel gouvernant la physique du problème est le nombre de Reynolds basé sur la vitesse incidente, la taille caractéristique de l'objet et la viscosité cinématique du fluide. La gamme balayée du nombre de Reynolds permet l'obtention des écoulements de Stokes jusqu'à la transition vers le chaos. Le second cas place le corps libre de se mouvoir dans un fluide visqueux au repos, sous l'effet de la gravité. Les paramètres pertinents, ici, seront le rapport des masses volumiques, le nombre d'Archimède (ou nombre de Galilée) tenant compte des effets de flottabilité, de la viscosité et des dimensions géométriques propres au corps. Les régimes hydrodynamiques observés correspondent à la même catégorie que ceux précédemment cités pour les corps fixes. L'outil utilisé pour approcher le sujet est la simulation numérique. Le code employé résout les équations de Navier-Stokes 3D instationnaires de manière directe avec, pour la partie dynamique, la résolution couplée des équations de Kirchhoff généralisées. Une étude mathématique, basée sur la théorie des formes normales, est développée pour aider à la cartographie des bifurcations rencontrées, ainsi qu'à la caractérisation des différents modes instationnaires

Contrôle de décollement par fente pulsée et générateurs de vortex fluides

Dans le cadre d'une thèse CIFRE réalisée en coopération entre le Département EMT² (Ecoulement Monophasiques Transitionnaires et Turbulents) et le service d'Aérodynamique Avancée de Dassault-Aviation est effectuée une étude par modèles statistiques du contrôle de décollement subsonique sur des profils porteurs. Deux modes de contrôle sont simulés: une fente pulsée tangentielle ou normale mettant en œuvre des calculs U-RANS Bi-Dimensionnels et des Générateurs de Vortex Fluides par méthode RANS Tri-Dimensionnelle. Le modèle de turbulence Semi-Déterministe développé à l'IMFT a pour cette occasion été implémenté dans le solveur Navier-Stokes de Dassault-Aviation et utilisé pour la simulation du décollement naturel et du fonctionnement de la fente pulsée. Les résultats obtenus avec cette méthode couplée à une avancée instationnaire d'ordre 2 permettent de caractériser ce type de contrôle et de retrouver les principaux comportements observés dans la bibliographie. L'étude du fonctionnement des Générateurs de Vortex Fluides a d'abord été initiée sur une plaque plane pour isoler les seules conséquences de l'existence du tourbillon longitudinal sur les frottements en absence de gradient de pression. Un effet de vitesse de l'actionneur et de disposition des jets a été effectué sur cette configuration. On applique alors les Générateurs de Vortex Fluides sur un profil ONERA D en incidence. Une forte intéraction espacement/Vitesse de l'actionneur est mise en évidence sur ce dernier cas. Néanmoins, les espacements utilisés, imposés par le temps de calcul de ces simulations, n'a pas permis d'observer une robustesse intéressante en incidence. ABSTRACT : This work realized in cooperation between IMFT and Dassault-Aviation, deals with Navier-Stokes computations of separation control on airfoils Two different control devices are tested : tangential or normal synthetic jets using URANS approach and Vortex Generators Jets with 3D RANS computations. Semi-Deterministic time-dependent turbulence model has been implemented in the in-house Dassault-Aviation Navier-Stokes solver both for unsteady natural and controlled flow behaviours. Results obtained using this model coupled with a second-order in time integration scheme permits the caracterization of DSJ devices. Major former published wind-test behaviours have been reproduced. Vortex Generators Jets has firstly been introduced on flat plate to show the effect of the coherent structures on natural friction coefficient without pressure gradient. The effect of speed exhaust velocity has been studied for both contra and corotative jets. The devices were tested on generic transonic ONERA D airfoil at high angle of attack. A strong interaction between exhaust velocity and distance between jets has been shown. Due to CPU demanding high size domains when increasing distance between jets, effect was found to be weak in term of angle of attack robustness

Les correspondances des écrivains du XIXème siècle et leur archivage numérique

Mémoire du Master archives numériques portant sur l\u27archivage numérique des correspondances de Gustave Flaubert et d’Émile Zola

Etude du comportement radiatif d'une flamme de diffusion etablie en micropesanteur

This study is a contribution to a project aiming to characterize a fire spreading in weightlessness. An ethylene burner across which an air flow leads to boundary layer type conditions is used. First experimental results show the high sensitivity of the flame radiative emission to the air flow velocity and the soot key-role. Gas contribution to the flame emission is computed and qualitatively fit with experimental data. Because of the need in a reliable numerical model of soot production, a phenomenological model, based on a theoretical analysis, is suggested in order to estimate this production dependency in air flow and fuel velocities, which are this configuration parameters. Eventually, this model reveals two different regimes where soot either inhibits or enhances the combustion

Médiation numérique en bibliothèque et ailleurs

Auvergne-Rhône-Alpes Livre et Lecture publie une nouvelle publication ressource à destination des bibliothécaires et médiathécaires, médiateurs culturels ou sociaux, enseignants... Médiation numérique en bibliothèque, et ailleurs propose une quarantaine de fiches projets pour monter des médiations autour des cultures numériques, avec les publics, ainsi qu\u27un ensemble de ressources autour du numérique