En vue de l'obtention du

Emmanuel Labourasse

Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
THÈSE En vue de l'obtention du DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE TOULOUSE Délivré par l'Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse) Discipline ou spécialité : Dynamique des fluides JURY Roel BELT Emmanuel LABOURASSE Francis LUCK Jacques MAGNAUDET Membre invité TOTAL Membre Membre TOTAL Directeur des travaux de recherche Marc MEDALE Rapporteur Jean-Paul VILA Stéphane VINCENT Président du jury Rapporteur Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil et Procédés (MEGeP) Unité de recherche : Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT) Directeur(s) de Thèse : Jacques MAGNAUDET Présentée et soutenue par Irène RENAUD-ASSEMAT Le 22 Juillet 2011 Développement d'une méthode lagrangienne de simulation d'écoulements turbulents à phases séparées

• méthode lagrangienne de simulation d'écoulements turbulents


• continuité de la vitesse normale et de la contrainte normale


• approche lagrangienne


• turbulent incompressible


• écoulements turbulents


• service cosinus

Sujets

• Adjoua
• Vincent
• Institut national polytechnique de Toulouse
• Simulation
• Interface

Informations

• Publié par: profil-feym-2012
• Publié le: 01 juillet 2011
• Nombre de lectures: 64
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

THÈSE


En vue de l'obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

Délivré par l’Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse)
Discipline ou spécialité : Dynamique des fluides


Présentée et soutenue par Irène RENAUD-ASSEMAT
Le 22 Juillet 2011



Développement d’une méthode lagrangienne de simulation
d’écoulements turbulents à phases séparées

JURY

Roel BELT Membre invité TOTAL
Emmanuel LABOURASSE Membre
Francis LUCK Membre TOTAL
Jacques MAGNAUDET Directeur des travaux de recherche
Marc MEDALE Rapporteur
Jean-Paul VILA Président du jury
Stéphane VINCENT Rapporteur


Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil et Procédés (MEGeP)
Unité de recherche : Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT)
Directeur(s) de Thèse : Jacques MAGNAUDET


Remerciements
Je tiens à remercier Monsieur Jean-Paul Vila d’avoir accepté de présider mon jury de thèse,
MonsieurEmmanuelLabourassed’yavoirparticipéetMessieursMarcMédaleetStéphaneVincent
pour la lecture attentive de mon manuscrit.
Ce travail de thèse s’est réalisé en collaboration avec la société TOTAL, je remercie ainsi mes
responsables industriels Roel Belt et plus particulièrement Francis Luck qui a suivi ce projet du
début jusqu’à la fin.
Mes sincères remerciements vont à mon directeur de thèse Jacques Magnaudet qui a su m’en-
cadrer pour mener ce travail à son terme en me proposant sans cesse de nouvelles idées à tester
lorsque plus rien ne semblait marcher!
Je remercie vivement Annaïg Pédrono du service Cosinus pour sa grande patience et sa dispo-
nibilité lorsqu’il s’agissait de m’aider à comprendre les caprices du code JADIM.
Je souhaite également remercier les personnes qui m’ont apporté toute leur expérience lors de
mes débuts dans l’enseignement, Didier Labeille mon conseiller pédagogique dans l’enseignement
secondaire, François Charru et Pierre Brancher lors de mon année d’ATER.
Je remercie tout le personnel de l’IMFT, notamment le service informatique, le service repro-
graphie avec Muriel Sabater pour l’impression de ce manuscrit et Marie-Hélène Manzato, secrétaire
du groupe Interface.
Un grand merci général à tous les membres du groupe Interface : permanents, post-doctorants,
doctorants et stagiaires qui ont contribué à rendre l’ambiance de travail des plus agréables. Je
souhaite remercier plus particulièrement les personnes qui ont partagé mon bureau, mes joies et
mes galères. Tout d’abord Serge Adjoua mon "jumeau" qui m’a aidée tout au long de ma thèse
losqu’il était sur place puis qui a continué son coaching à distance. Son soutien et son amitié m’ont
été très précieux. Je tiens également à remercier Nicolas Abi Chebel notre "intermittent" avec qui
j’ai pu discuter musique et enfin je ne peux pas oublier un individu "exceptionnel" Cédric Besnaci,
qui par sa bonne humeur à toute épreuve et ses expressions mémorables a su me faire sourire même
dans les moments les plus difficiles.
J’adresse mes remerciements à ma famille, mes parents tout d’abord pour m’avoir permis d’être
celle que je suis devenue et tous mes petits frères et soeurs : Cécile, Maryse, Ségolène, Lucien,
Pauline, Nathalie, Claire et Yves, qui n’ont pas toujours compris ce que leur grande sœur faisait,
s’imaginanttantôtqu’elletravaillaitdansunestationservicepuisqu’elleabandonnaitlamécanique
pour devenir médecin!
Last but not least, je remercie de tout mon cœur Julien Assémat qui a su m’épauler de la plus
belle des manières à chaque instant et qui est devenu mon époux au cours de l’aventure.Résumé
Les écoulements turbulents à phases séparées sont présents dans de très nombreuses applica-
tions.Cependant,lasimulationdetelsécoulementsavecuneinterfacedéformableconstituel’undes
problèmes les plus complexes de la mécanique des fluides numérique. La prise en compte du bilan
des contraintes normales est au cœur du problème de déformation de l’interface. Dans le travail
présentéici,nousdévelopponsunalgorithmepermettantdesimulerdesécoulementsdiphasiquesin-
compressibles et turbulents en suivant le déplacement de l’interface par une approche lagrangienne.
Les équations de Navier-Stokes instationnaires écrites en variables vitesse-pression sont résolues
dans les deux phases en utilisant des maillages curvilignes orthogonaux. Dans un premier temps,
nous introduisons un schéma de raccordement des vitesses tangentielles et des cisaillements. Ce
schéma est appliqué afin de simuler l’interaction de deux écoulements turbulents séparés par une
interface plane. La turbulence est traitée par une approche de simulation des grandes échelles uti-
lisant un modèle dynamique. Un algorithme original est ensuite développé dans le but de satisfaire
de façon non-itérative à la fois la continuité des vitesses normales et des contraintes normales sur
l’interface et l’incompressibilité dans les deux phases. Différentes simulations d’écoulements dipha-
siques avec interface déformable sont réalisées afin de valider ces développements.
Mots clefs : approche lagrangienne, interface déformable, conditions de raccordement, écoule-
ments à phases séparées, équations de Navier-StokesAbstract
Turbulent incompressible two-phase separated flows are present in many applications. However,
simulation of such flows with a moving interface is one of the most challenging problems in todays
computational fluid dynamics. Taking properly into account the normal stress budget accross the
interface is the main difficulty of moving interface problems. This work deals with the development
ofaboundary-fittedmethodforcomputingturbulentincompressibletwo-phaseflows.Theinterface
displacement is achieved through a Lagrangian approach. The unsteady Navier-Stokes equations
writteninavelocity-pressureformulationaresolvedwithinthetwophasesusinganorthogonalcur-
vilinear grid. In a first step, we introduce a scheme allowing tangential velocities and shear stresses
to match across the interface. We apply this technique to compute the countercurrent flow genera-
ted by two streams separated by a plane interface. This scheme is then applied to compute various
situations involving the interaction between two turbulent flows separated by a flat interface. The
turbulence is treated by using the Large Eddy Simulation approach with a dynamic model. An ori-
ginal algorithm is then developed to satisfy without any internal iteration the continuity of normal
velocities and stresses across the interface and the incompressibility condition within both phases.
Several simulations of two-phase flows with a moving interface are carried out to validate these
developments.
Keywords : Lagrangian approach, moving interface, interfacial boundary conditions, separated
two-phase flows, Navier-Stokes equationsTable des matières
Introduction générale 15
1 Etat de l’art et choix méthodologiques 17
1.1 Contexte industriel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2 Les écoulements laminaires à phases séparées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3 Lests turbulents à phases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.4 Choix de l’approche numérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.4.1 Approche eulérienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.4.2 Approche lagrangienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.4.3 Le code JADIM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2 Développement d’un algorithme de déformation d’interface 33
2.1 Génération de maillages curvilignes orthogonaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2 Résolution numérique des équations de Navier-Stokes dans un système de coordon-
nées curvilignes et déformables par la Simulation des Grandes Echelles . . . . . . . . 39
2.2.1 Equations de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.2deNavier-Stokesdansunrepèrecurvilignemobileparlasimulation
des grandes échelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3 Continuité des vitesses et des contraintes tangentielles . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4 Traitement du bilan des contraintes normales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.4.1 Schéma standard