Numerical methods for diffuse interface multifluid models

We describe some numerical methods developed in ONERA's Cedre platform to solve diffuse interface multifluid models with a view to realistic industrial applications. These methods are illustrated on test cases such as a shock-droplet interaction case

ANALYSE DE SENSIBILITÉ DE LA DISPERSION DE GOUTTELETTES AUX CONDITIONS D'ÉMISSION ET A L'AIR AMBIENT

National audienceThis work presents a methodology to analyse the sensitivity of numerical simulations related to the dispersion of droplets in the air. The methodology is based on existing tools for sensitivity analysis (e.g. Sobol sensitivity index). This methodology is illustrated by analysing a large number of numerical results obtained in two situations: first a simple toy model (without underlying flow) and then a more realistic case (with underlying flow). The preliminary results allow to identify the parameters affecting the results but show a significant impact of the observable chosen for the analysis.Nous présentons une méthodologie pour analyser la sensibilité et quantifier l'incertitude des résultats de simulation numérique obtenus dans le contexte de la dispersion de gouttelettes dans l'air. La méthodologie se fonde sur les outils existants d'analyse de sensibilité (notamment la méthode de Sobol). L'intérêt de recourir à ces outils d'analyse de grands nombres de résultats est illustré à travers deux situations: un cas simplifié sans écoulement fluide environnant et un cas réaliste avec écoulement fluide. Les résultats préliminaires permettent d'identifier les paramètres influençant les résultats numériques mais montrent une forte sensibilité à l'observable choisie pour l'analyse

Numerical simulation and modelling of the influence of high-amplitude acoustic waves on a two-phase jet : application to the field of liquid-propellant rocket propulsion

L’occurrence d'instabilités de combustion de haute fréquence au sein des moteurs-fusées à ergols liquides peut s'avérer dommageable pour l'intégrité des systèmes propulsifs. Par conséquent, les acteurs du spatial souhaitent renforcer leur compréhension des mécanismes à l'origine de ces instabilités. Pour cela, la simulation numérique s'est révélée au fil du temps de plus en plus attractive. Dans le cas particulier d'un fonctionnement en régime subcritique, le comburant se trouve à l'état liquide dans la chambre de combustion. Pour reproduire fidèlement les écoulements associés à ce régime de fonctionnement, la simulation numérique doit pouvoir restituer les mécanismes d'interaction entre les perturbations acoustiques et le processus d'atomisation de la phase liquide, car ils peuvent influencer la stabilité de la combustion. Dans cette optique, cette étude consiste 1) à mettre en place une méthodologie de simulation numérique de jet diphasique atomisé sous excitation acoustique, 2) à valider la restitution de l'ensemble des mécanismes de réponse du jet aux ondes acoustiques, et 3) à s'appuyer sur les résultats des simulations pour progresser vers une meilleure compréhension des phénomènes physiques mis en jeu. La stratégie de simulation utilisée est basée sur le couplage entre une méthode à interface diffuse à 4 équations pour simuler le gaz et les plus grosses structures liquides de l'écoulement, et une approche statistique Eulérienne pour modéliser le spray de gouttes. Dans ces travaux, la simulation numérique d'un jet diphasique atomisé soumis à une excitation acoustique de haute amplitude montre une bonne restitution de l'aplatissement du cœur liquide et de son influence sur le processus d'atomisation du jet. Notamment, le cœur liquide est raccourci et le spray s'élargit dans la direction orthogonale à l'axe de propagation acoustique. Un couplage important d'ores et déjà observé expérimentalement entre le système d'injection et la cavité acoustique ainsi que son influence sur le processus d'atomisation de la phase liquide sont également reproduits. Enfin, une modélisation simplifiée de l'écoulement destinée à compléter les résultats des simulations révèle une déviation progressive du cœur liquide, et donc des gouttes issues de son atomisation, par la force de radiation acoustique. Ces travaux ouvrent ainsi la voie à des simulations réactives capables de reproduire fidèlement le comportement de flammes diphasiques sous perturbation acoustique en vue d'en étudier l'impact sur la stabilité de la combustion.The occurrence of high-frequency combustion instabilities in liquid-propellant rocket engines can be detrimental to propulsion systems. Consequently, space actors need to strengthen their understanding of the mechanisms that cause these instabilities. To this end, numerical simulation has become more and more attractive over time. Under subcritical operating conditions, the oxidizer inside the combustion chamber is in a liquid state. In such a case, numerical simulation must be able to reproduce every interaction mechanism between acoustics and the atomization of the liquid phase, because it may influence the combustion stability. In this perspective, this study consists in 1) setting up a methodology for the numerical simulation of an atomized two-phase jet under acoustic modulation, 2) validating the restitution of all the response mechanisms of the jet to acoustics, and 3) using the results of the simulations to progress in the understanding of the involved physical phenomena. The simulation strategy that is used is based on the coupling between a 4-equation diffuse interface method to simulate the gas and the largest liquid structures of the flow, and an Eulerian statistical approach to model the spray. In this work, the numerical simulation of an atomized two-phase jet subjected to a high amplitude acoustic modulation shows a good restitution of the flattening of the liquid core and its influence on the atomization process of the jet. In particular, the liquid core is shortened and the spray widens in one particular direction. The coupling between the injection system and the acoustic cavity and its influence on the atomization process of the liquid are also reproduced. Finally, a simplified modeling of the flow used to complement the simulation results reveals a progressive deviation of the liquid core, and therefore of the drops resulting from its atomization, by the acoustic radiation force. Thus, this work opens the way to reactive simulations capable of faithfully reproducing two-phase flames under acoustic disturbances in order to study their impact on combustion stability

Simulation numérique et modélisation de l'influence d'ondes acoustiques de haute amplitude sur un jet diphasique : application au domaine de la propulsion fusée à ergols liquides

The occurrence of high-frequency combustion instabilities in liquid-propellant rocket engines can be detrimental to propulsion systems. Consequently, space actors need to strengthen their understanding of the mechanisms that cause these instabilities. To this end, numerical simulation has become more and more attractive over time. Under subcritical operating conditions, the oxidizer inside the combustion chamber is in a liquid state. In such a case, numerical simulation must be able to reproduce every interaction mechanism between acoustics and the atomization of the liquid phase, because it may influence the combustion stability. In this perspective, this study consists in 1) setting up a methodology for the numerical simulation of an atomized two-phase jet under acoustic modulation, 2) validating the restitution of all the response mechanisms of the jet to acoustics, and 3) using the results of the simulations to progress in the understanding of the involved physical phenomena. The simulation strategy that is used is based on the coupling between a 4-equation diffuse interface method to simulate the gas and the largest liquid structures of the flow, and an Eulerian statistical approach to model the spray. In this work, the numerical simulation of an atomized two-phase jet subjected to a high amplitude acoustic modulation shows a good restitution of the flattening of the liquid core and its influence on the atomization process of the jet. In particular, the liquid core is shortened and the spray widens in one particular direction. The coupling between the injection system and the acoustic cavity and its influence on the atomization process of the liquid are also reproduced. Finally, a simplified modeling of the flow used to complement the simulation results reveals a progressive deviation of the liquid core, and therefore of the drops resulting from its atomization, by the acoustic radiation force. Thus, this work opens the way to reactive simulations capable of faithfully reproducing two-phase flames under acoustic disturbances in order to study their impact on combustion stability.L’occurrence d'instabilités de combustion de haute fréquence au sein des moteurs-fusées à ergols liquides peut s'avérer dommageable pour l'intégrité des systèmes propulsifs. Par conséquent, les acteurs du spatial souhaitent renforcer leur compréhension des mécanismes à l'origine de ces instabilités. Pour cela, la simulation numérique s'est révélée au fil du temps de plus en plus attractive. Dans le cas particulier d'un fonctionnement en régime subcritique, le comburant se trouve à l'état liquide dans la chambre de combustion. Pour reproduire fidèlement les écoulements associés à ce régime de fonctionnement, la simulation numérique doit pouvoir restituer les mécanismes d'interaction entre les perturbations acoustiques et le processus d'atomisation de la phase liquide, car ils peuvent influencer la stabilité de la combustion. Dans cette optique, cette étude consiste 1) à mettre en place une méthodologie de simulation numérique de jet diphasique atomisé sous excitation acoustique, 2) à valider la restitution de l'ensemble des mécanismes de réponse du jet aux ondes acoustiques, et 3) à s'appuyer sur les résultats des simulations pour progresser vers une meilleure compréhension des phénomènes physiques mis en jeu. La stratégie de simulation utilisée est basée sur le couplage entre une méthode à interface diffuse à 4 équations pour simuler le gaz et les plus grosses structures liquides de l'écoulement, et une approche statistique Eulérienne pour modéliser le spray de gouttes. Dans ces travaux, la simulation numérique d'un jet diphasique atomisé soumis à une excitation acoustique de haute amplitude montre une bonne restitution de l'aplatissement du cœur liquide et de son influence sur le processus d'atomisation du jet. Notamment, le cœur liquide est raccourci et le spray s'élargit dans la direction orthogonale à l'axe de propagation acoustique. Un couplage important d'ores et déjà observé expérimentalement entre le système d'injection et la cavité acoustique ainsi que son influence sur le processus d'atomisation de la phase liquide sont également reproduits. Enfin, une modélisation simplifiée de l'écoulement destinée à compléter les résultats des simulations révèle une déviation progressive du cœur liquide, et donc des gouttes issues de son atomisation, par la force de radiation acoustique. Ces travaux ouvrent ainsi la voie à des simulations réactives capables de reproduire fidèlement le comportement de flammes diphasiques sous perturbation acoustique en vue d'en étudier l'impact sur la stabilité de la combustion

ANALYSE DE SENSIBILITÉ DE LA DISPERSION DE GOUTTELETTES AUX CONDITIONS D'ÉMISSION ET A L'AIR AMBIENT

National audienceThis work presents a methodology to analyse the sensitivity of numerical simulations related to the dispersion of droplets in the air. The methodology is based on existing tools for sensitivity analysis (e.g. Sobol sensitivity index). This methodology is illustrated by analysing a large number of numerical results obtained in two situations: first a simple toy model (without underlying flow) and then a more realistic case (with underlying flow). The preliminary results allow to identify the parameters affecting the results but show a significant impact of the observable chosen for the analysis.Nous présentons une méthodologie pour analyser la sensibilité et quantifier l'incertitude des résultats de simulation numérique obtenus dans le contexte de la dispersion de gouttelettes dans l'air. La méthodologie se fonde sur les outils existants d'analyse de sensibilité (notamment la méthode de Sobol). L'intérêt de recourir à ces outils d'analyse de grands nombres de résultats est illustré à travers deux situations: un cas simplifié sans écoulement fluide environnant et un cas réaliste avec écoulement fluide. Les résultats préliminaires permettent d'identifier les paramètres influençant les résultats numériques mais montrent une forte sensibilité à l'observable choisie pour l'analyse

Social Distancing: The Sensitivity of Numerical Simulations

International audienceResearchers from Inria and the French Aerospace Lab ONERA are collaborating on a joint project. The goal is to assess the variability in the advice for social distancing precautions that can be drawn from numerical simulations of airborne dispersion. This variability depends on a number of factors, including: physical variables (e.g. droplet size, ejection velocity), modelling methods used (e.g. turbulence model) and numerical aspects (mesh). We use sensitivity analysis tools to quantify and order the role these factors play in influencing the numerical results

Numerical simulation of an air-assisted liquid jet submitted to a high-frequency transverse acoustic modulation

International audienceThe numerical simulation of high-frequency combustion instabilities in liquid rocket engines under subcritical operating conditions is a challenging task. To simulate the mechanisms leading to the combustion of the liquid-injected oxidizer, Onera developed a numerical strategy based on the coupling between (1) a diffuse interface method for the dense phase and (2) a kineticbased Eulerian model for the dispersed phase. The present contribution evaluates the ability of this numerical methodology to reproduce interaction mechanisms between two-phase flows and acoustics that may intervene under unstable operating conditions. To do so, the numerical simulation of a non-reactive two-phase flow submitted to a transverse acoustic modulation is performed and compared to experimental observations. The flattening of the liquid core under acoustic constraint is retrieved, as well as the spray oscillations. Furthermore, it is shown that the shape changes of the liquid core directly impact the opening angle and the symmetry of the spray

Numerical simulation of an air-assisted liquid jet submitted to a high-frequency transverse acoustic modulation

International audienceThe numerical simulation of high-frequency combustion instabilities in liquid rocket engines under subcritical operating conditions is a challenging task. To simulate the mechanisms leading to the combustion of the liquid-injected oxidizer, Onera developed a numerical strategy based on the coupling between (1) a diffuse interface method for the dense phase and (2) a kineticbased Eulerian model for the dispersed phase. The present contribution evaluates the ability of this numerical methodology to reproduce interaction mechanisms between two-phase flows and acoustics that may intervene under unstable operating conditions. To do so, the numerical simulation of a non-reactive two-phase flow submitted to a transverse acoustic modulation is performed and compared to experimental observations. The flattening of the liquid core under acoustic constraint is retrieved, as well as the spray oscillations. Furthermore, it is shown that the shape changes of the liquid core directly impact the opening angle and the symmetry of the spray