ECOGEN: An open-source tool for multiphase, compressible, multiphysics flows

ECOGEN, a new open-source computational fluid dynamics code is presented. It is a multi-model tool devoted to the simulation of compressible flows. A large range of problems can be solved, from single-phase gas dynamics to multiphase, multiphysics flows including interface problems between pure fluids. This code is suited for strongly unsteady flows. The numerical solver of ECOGEN is implemented in a flexible structure making the code able to compute such complex flows on different kinds of discretization grids. The implemented hyperbolic solver is able to deal with Cartesian geometries as well as unstructured grids. A recent adaptive mesh refinement method is also implemented. Its numerical implementation is presented in detail to help the enthusiastic developer to contribute to this open-source project. Representative test cases are presented to show the tool abilities and to open the gate for future developments

Modélisation de la compaction dynamique avec dérive des vitesses

Dans ce rapport, on présente un modèle hyperbolique d'écoulement multiphasique incluant la compaction dynamique irréversible de poudres. Ce modèle doit être capable de remplir quatre principaux objectifs. Le premier objectif concerne le caractère irréversible de la compaction des poudres. Quand un lit de poudres est soumis à un cycle de charge-décharge, le volume final est plus petit que le volume initial. Afin de traiter ce problème d'hystérésie, on construit un modèle avec relaxation. Durant la phase de charge, on suppose que l'équilibre mécanique a lieu, ce qui correspond à une relaxation instantanée des pressions. Dans la phase de décharge, on suppose au contraire qu'une transformation mécanique a lieu, conduisant à un état mécanique hors équilibre. Par conséquent, durant chacun de ces cycles, les vitesses du son des modèles limites sont très différentes. Ces différences dans les propriétes acoustiques sont la cause justement du caractère irréversible du processus de compaction. Le second objectif est relié aux effets dynamiques, là où la pression et les ondes de chocs jouent un rôle important. La dynamique des ondes est assurée par l'hyperbolicité du modèle et l'on tient compte aussi bien de la compressibilité des phases que des énergies de configuration. Le troisième objectif concerne les effets multidimensionnels aux interfaces matérielles. En effet, la plupart des processus de com- paction font intervenir des surfaces libres. Par conséquent, le modèle doit être capable de traiter de problèmes d'interfaces entre des fluides purs et des mélanges granulaires. Enfin, le quatrième objectif concerne la perméa- tion des gaz qui peut jouer un rôle important dans certains cas spécifiques de compaction de poudres. Se pose alors la question délicate de description de ces vitesses multiples. Ces quatre points sont considérés dans un modèle unique appartenant à la classe des modèles des interfaces diffuses. La capacité du modèle a traiter ces phénomènes est validée dans des situations où chaque effet est considéré séparément. En particulier, le caractère irréversible de la compaction est considéré et validé sur plu- sieurs exemples : expérience sur un matériel énergétique (HMX granulaire), compaction granulaire de NaCl. À part les équations d'état des matériaux (pressions granulaires et hydrodynamiques, et les énergies associées), le modèle est de plus exempt de paramètre ajustable. On reproduit enfin les effets de perméation des gaz à l'aide d'un modèle de dérive des vitesses, et une analyse sur la production d'entropie. Le modèle résultant est validé sur un cas test de tube à choc où une onde de choc traverse un lit granulaire de forte densité et montre un accord parfait avec l'expérience

Adaptive Mesh Refinement algorithm based on dual trees for cells and faces for multiphase compressible flows

A novel adaptive mesh refinement method is proposed. The novelty of the method lies in using a dual data structure with two trees: A classical one for the computational cells and an extra one dedicated to computational cell faces. This new dual structure simplifies the algorithm, making the method easy to implement. It results in an efficient adaptive mesh refinement method that preserves an acceptable memory cost. This adaptive mesh refinement method is then applied to compressible multiphase flows in the framework of diffuse-interface methods. Efficiency of the method is demonstrated thanks to computational results for different applications: Transport, shock tube, surface-tension flow, cavitation and water-droplet atomization, in one and multi-dimensions. The test cases are performed with the open-source code ECOGEN and with quantitative comparisons regarding non-adaptive mesh refinement methods to analyze benefits. A discussion specific to parallel computing is also presented

ECOGEN: An open-source tool for multiphase, compressible, multiphysics flows

ECOGEN, a new open-source computational fluid dynamics code is presented. It is a multi-model tool devoted to the simulation of compressible flows. A large range of problems can be solved, from single-phase gas dynamics to multiphase, multiphysics flows including interface problems between pure fluids. This code is suited for strongly unsteady flows. The numerical solver of ECOGEN is implemented in a flexible structure making the code able to compute such complex flows on different kinds of discretization grids. The implemented hyperbolic solver is able to deal with Cartesian geometries as well as unstructured grids. A recent adaptive mesh refinement method is also implemented. Its numerical implementation is presented in detail to help the enthusiastic developer to contribute to this open-source project. Representative test cases are presented to show the tool abilities and to open the gate for future developments

La piqûre de tique : pathologies transmises et conseils à l'officine

Ticks are haematophagous mites parasitizing near all vertebrates throughout the world and also occasionally biting humans. They can transmit a wide variety of pathogens such as bacteria, viruses, parasites or toxins. These diseases have a prevalence that tends to increase over the years. In order to protect themselves, the best way remains protection and prevention measures. These measures, which are often poorly known by the public, are nevertheless simple. The pharmacist, as a healthcare professional close to the patients, has a place to take within the interprofessional collaboration in order to transmit this data. This thesis aims to collect knowledge on the main pathologies transmitted by ticks as well as on the means of prevention that can be put in place in the pharmacy.Les tiques sont des acariens hématophages parasitant la quasi-totalité des vertébrés à travers le monde et pouvant également piquer occasionnellement l’homme. Elles sont capables de transmettre une grande variété de pathogènes comme des bactéries, des virus, des parasites ou des toxines. Ces maladies ont une prévalence qui tend à augmenter au fil des ans. Afin de s’en prémunir, le meilleur moyen reste les mesures de protection et de prévention. Ces mesures, souvent mal connues par le public, sont pourtant simples. Le pharmacien, en tant que professionnel de santé à proximité des patients, a une place à prendre au sein de la collaboration inter-professionnelle afin de transmettre ces données. Cette thèse a donc pour but de rassembler les connaissances sur les principales pathologies transmises par les tiques ainsi que sur les moyens de prévention que l’on peut mettre en place à l’officine

ECOGEN, an open-source tool dedicated to multiphase compressible multiphysics flows

International audienceThis paper presents a new multiphase flow code, cast under an open-source GNU license. The main characteristics of the different flow models are given, then the numerical method used is briefly presented: it includes temporal flow solvers, meshing features (like AMR technics), results visualization.Two examples of flows solutions are presented: the interaction of a high-speed flow with a droplet and the second concerns the attenuation of a propagating shock wave

Compressible Model for Dilute Flows

International audienceIn this paper, a new model is built to treat two-phase flows with a carrier phase laden with compressible liquid droplets. In some applications, the pressure in the carrier phase varies so much that it obviously should impact the droplet's specific mass and temperature. This may be the case, for example, in solid rocket motors, where liquid droplets of aluminum at high temperature are ejected through a nozzle and endure pressure variations from 50 bar to atmospheric pressure or less. The same kind of problem may be observed in physics of explosive or in astrophysics. In these cases, a more precise description of the dispersed phase may be useful. Moreover, in extreme cases, it may become irrelevant to continue using a pressureless model for the dispersed phase, especially if a phase change or chemical reaction occurs. Therefore, a new thermodynamically consistent model is built for two-phase compressible dilute flows. Pressure in dispersed flow is reintroduced through the use of an equation of state. The mathematical nature of the obtain system for the dispersed phase remains unchanged compared to the pressureless Euler equation, but the compressibility of the dispersed phase is obtained by pressure relaxation terms for which the numerical resolution is simple and efficient. Numerical results are related to one-dimensional simulations of the propagation of a shock wave through a droplet's cloud and to a multidimensional nozzle flow of a solid rocket motor to show the impact of compressibility on an aluminum liquid droplet's temperature

Introduction to diffuse interfaces and transformation fronts modelling in compressible media

Computation of interfaces separating compressible materials is related to mixture cells appearance. These mixture cells are consequences of fluid motion and artificial smearing of discontinuities. The correct computation of the entire flow field requires perfect fulfillment of the interface conditions. In the simplest situation of contact interfaces with perfect fluids, these conditions correspond to equal normal velocities and equal pressures. To compute compressible flows with interfaces two main classes of approaches are available. In the first one, the interface is considered as a sharp discontinuity. Lagrangian, Front Tracking and Level Set methods belong to this class. The second option consists in the building of a flow model valid everywhere, in pure materials and mixture cells, solved routinely with a unique Eulerian algorithm [37]. In this frame, the interface is considered as a numerically diffused zone, captured by the algorithm. There are some advantages with this approach, as the corresponding flow model is not only valid in artificial mixture cells, but it also describes accurately true multiphase mixtures of materials. The [37] approach has been simplified by [22] with the help of asymptotic analysis, resulting in a single velocity, single pressure but multi-temperature flow model. This reduced model presents however difficulties for its numerical resolution as one of the equations is non-conservative. In the presence of shocks, jump conditions have been provided by [42], determined in the weak shock limit. When compared against experiments for both weak and strong shocks, excellent agreement was observed. These relations have been accepted as closure shock relations for the [22] model and allowed the study of detonation waves in heterogeneous energetic materials. Generalized Chapman-Jouguet conditions were obtained as well as heterogenous explosives (non-ideal) detonation wave structures [36]. Oppositely to the previous example of exothermic reactions and high speed flows, endothermic reactions are considered in [43] to deal with cavitating and flashing flows. In conjunction with capillary [33] and diffusive effects, it has been possible to deal with boiling flows [25]. Extra multiphysic extensions such as dynamic powder compaction [38], solid-fluid coupling in extreme deformations [12] have been investigated too. La résolution numérique des problèmes à interfaces entre milieux compressibles est fortement liée à l’apparition de ’mailles de mélange’. Celles-ci sont liées au mouvement des fluides sur maillages fixes, induisant une diffusion artificielle des discontinuités de contact. La résolution numérique de l’ensemble de l’écoulement nécessite le respect des conditions d’interface, qui correspondent pour les fluides parfaits à l’égalité des vitesses normales et à l’égalité des pressions. Pour résoudre les écoulements de fluides compressibles en présence d’interfaces matérielles, essentiellement deux catégories de méthodes sont disponibles. Dans la première catégorie, l’interface est considérée comme une discontinuité. Les méthodes lagrangiennes, de ’suivi de front’ et Level Set appartiennent à cette catégorie. La seconde option consiste en la construction d’un modèle d’écoulement valide partout, dans les milieux purs ainsi que dans les zones de mélange, résolu routinièrement avec un unique solveur eulérien [37]. Dans ce contexte, les interfaces sont traitées en tant que zones de diffusion numérique, capturées par l’algorithme. Cette approche présente certains avantages. Par exemple, le modèle d’écoulement n’est pas seulement valable dans les mailles de mélange artificiel, mais aussi dans les zones d’écoulement diphasiques d’origine physique et ayant des évolutions hors d’équilibre. L’approche de [37] a été simplifiée par [22] sur la base d’une analyse asymptotique dans la limite de forts coefficients de relaxation des vitesses et des pressions. Cette analyse conduit à un modèle à une seule vitesse et une seule pression, mais en déséquilibre de températures. La résolution numérique de ce modèle présente néanmoins certaines difficultés, en raison du caractère non conservatif d’une des équations. En présence d’ondes de choc, des relations de saut ont été proposées [42] et justifiées dans la limite des chocs faibles. Ces relations ont été validées par rapport à toutes les expériences disponibles, à la fois pour les chocs faibles et forts. Elles ont donc été acceptées comme relations de fermeture aux chocs pour le modèle de [22] et ont permis l’étude des ondes de détonation dans les matériaux énergétiques hétérogènes. Des conditions de Chapman-Jouguet généralisées ont été obtenues ainsi que la structure des ondes de détonation correspondantes (non idéales) [36]. A l’opposé des situations précédentes de transformations exothermiques dans des écoulements à grandes vitesses, des réactions d’évaporation endothermiques ont été considérées [43] pour traiter les écoulements cavitants et l’évaporation ’flash’. Lorsque cette modélisation de la transition de phase est combinée aux effets capillaires [33] et diffusifs, il est possible de traiter la simulation numérique directe de l’ébullition nucléée [25]. Enfin, d’autres extensions sont aussi envisageables, telles que la compaction dynamique des poudres [38] ou le couplage solide-fluide en déformations extrêmes [12]

Modelling phase transition in metastable liquids: Application to cavitating and flashing flows.

A hyperbolic two-phase flow model involving five partial differential equations is constructed for liquid-gas interface modelling. The model is able to deal with interfaces of simple contact where normal velocity and pressure are continuous as well as transition fronts where heat and mass transfer occur, involving pressure and velocity jumps. These fronts correspond to extra waves in the system. The model involves two temperatures and entropies but a single pressure and a single velocity. The closure is achieved by two equations of state that reproduce the phase diagram when equilibrium is reached. Relaxation toward equilibrium is achieved by temperature and chemical potential relaxation terms whose kinetics is considered infinitely fast at specific locations only, typically at evaporation fronts. Thus, metastable states are involved for locations far from these fronts. Computational results are compared to the experimental ones. Computed and measured front speeds are of the same order of magnitude and the same tendency of increasing front speed with initial temperature is reported. Moreover, the limit case of evaporation fronts propagating in highly metastable liquids with the Chapman-Jouguet speed is recovered as an expansion wave of the present model in the limit of stiff thermal and chemical relaxation