Simulation aux grandes échelles d`écoulements diphasiques

THESE
THESE
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 : '\QDPLTXHGHV)OXLGHV
R. Fox
F. Dupoirieux
M. Massot
T. Lederlin
A. Benkenida
S. Jay
B. Cuenot
JURY
Professeur à l'Université de l'Iowa (USA)
Maitre de recherche à l’ONERA Palaiseau
Professeur des universités à l'École Centrale de Paris
Ingénieur à Turbomeca
Adjoint au directeur du CRT à IFP énergies nouvelles
Ingénieur de recherche à IFP énergies nouvelles
Chercheur sénior au CERFACS
Rapporteur
Rapporteur
Président
Invité
Invité
co-Directeur de thèse
Directrice de thèse
Ecole doctorale : Mécanique, Énergétique, Génie Civil et Procédés (MEGeP)
Unité de recherche : &(5)$&6
Directrice de Thèse : Bénédicte Cuenot
Présentée et soutenue par Aymeric Vié
Le 14 décembre 2010
Titre :
Simulation aux grandes échelles d'écoulements
diphasiques turbulents à phase liquide dispersée

Résumé
Les écoulements diphasiques turbulents sont présents dans de nombreux systèmes industriels (moteur
à piston, turbines à gaz, moteurs fusée...). La compréhension fine de telles configurations s’avèrent de
nos jours nécessaire pour limiter notamment les émissions de polluants et de gaz à effet de serre, et la
consommation des énergies fossiles.
Nous nous intéressons ici à la simulation aux grandes échelles des écoulements diphasiques turbu-
lents, permettant de capturer une large partie du spectre de la turbulence, et ainsi être capable de prédire
des phénomènes instables ou transitoires. La phase dispersée est ici modélisée par une approche eulé-
rienne, en raison de ses avantages dans le contexte du calcul haute performance.
Le travail de cette thèse a consisté à étendre le formalisme eulérien existant dans le code AVBP à
la simulation de sprays polydisperses dans des écoulements turbulents. Pour cela, le Formalisme Eulé-
rien Mésoscopique (FEM) a été couplé à une approche Multi-fluide. Cette nouvelle approche, intitulée
Formalisme Eulérien Mésoscopique Multi-fluide (FEMM), a été évaluée sur des cas simples canoniques,
permettant de bien caractériser le comportement autant en terme de dynamique turbulente que d’effets
polydisperses. Les stratégies numériques disponibles dans le code de calcul AVBP sont aussi analysées,
afin d’en cerner les limites pour la simulation eulérienne d’une phase liquide.
Ce nouveau formalisme est finalement appliqué à la configuration aéronautique MERCATO, pour
laquelle on dispose de résultats numériques obtenus avec d’autres approches (FEM et approche lagran-
gienne), et de résultats expérimentaux. Un accord satisfaisant avec l’expérience est montré pour toutes
les approches, même si le FEM, monodisperse, obtient de moins bon résultats en terme de fluctuations.
D’autres résultats expérimentaux s’avèrent nécessaires pour évaluer les approches et déterminer quelle
est la plus prédictive pour cette configuration, notamment concernant la fraction massique de kerosene,
autant en phase liquide qu’en phase gazeuse.
Mots clés : simulation aux grandes échelles, écoulements diphasiques, formalisme eulérien méso-
scopique, approche multi-fluide, configuration aéronautique, évaporation

Abstract
Turbulent two-phase flows are encountered in several industrial devices (piston engine, gas turbine,
rocket engine...). A fine understanding of such configurations is mandatory to face problems of pollutant
emissions, greenhouse gas, and fossil fuel rarefaction.
The Large Eddy Simulation seems to be a good candidate. This kind of simulation captures a wide
part of turbulence spectrum, and thus allows to predict instabilities and transient phenomena. The dis-
persed phase is simulated using an Eulerian approach, which seems to be more suitable than lagrangian
methods for High Performance Computing.
The present work consists in the extension to polydisperse flows of the existing eulerian formalism
in the AVBP code. The Mesoscopic Eulerian Formalism (MEF) is coupled with the Multifluid approach.
This new formalism, called Multifluid Mesoscopic Eulerian Formalism, is evaluated on simple test cases,
showing the ability of such approach to capture turbulent and polydisperse effects. Numerical strategies
available in AVBP are also evaluated, in order to emphasize on their limiting aspects for the eulerian
simulation of a dispersed phase.
The new formalism is finally applied to the simulation of the aeronautical configuration called
MERCATO. Several experimental results are available, as well as numerical results using FEM and la-
grangian approach. Results show a good agreement between experiments and numerical results, even if
FEM results are worse concerning the fluctuations. New experimental results are necessary to determine
which is the best approach, especially in terms of liquid and gas kerosene mass fraction.
Keywords : large eddy simulation, two-phase flows, mesoscopic eulerian formalism, multifluid
approach, aeronautical configuration, evaporation
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