Impact de gouttelette et changement de phase par la méthode de Boltzmann sur réseau

Les écoulements multiphasiques avec changement de phase et transfert de chaleur interviennent dans de nombreuses applications industrielles et processus naturels. Malgré le développement rapide des outils numériques, la simulation numérique d'écoulements fluides à plusieurs phases immiscibles demeure un défi en raison de la difficulté inhérente à suivre les interfaces. Habituellement, pour résoudre ce type d'écoulement, des méthodes numériques basées sur les équations de Navier Stokes couplées à des méthodes lagrangiennes ou eulériennes sont utilisées. Cependant, ces dernières décennies, la méthode Boltzamnn sur réseau est apparue comme une méthode prometteuse pour simuler les écoulements à géométrie complexe et à plusieurs phases. Dans ce contexte, l'objectif principal de cette thèse est de développer un modèle multiphasique 3D basé sur la méthode de Boltzmann sur réseau capable d'étudier l'impact d'une gouttelette sur une surface et de traiter les changements de phase. Pour ce faire, le modèle pseudo-potentiel de Shan & Chen pour la simulation d'écoulement à plusieurs phases et plusieurs composants est utilisé comme point de départ. Cette recherche doctorale est organisée autour de trois thèmes afin de mettre en évidence les contributions. Des cas tests sont réalisés afin de valider les améliorations apportées au modèle et des applications physiques sont proposées. Le premier thème apporte une amélioration au modèle pseudo-potentiel en découplant la tension de surface et la densité. Le tenseur de pression du modèle 3D est modifié pour permettre un ajustement de la tension de surface tout en préservant la consistance thermodynamique. Dans ce thème, l'étude de l'impact d'une gouttelette sur une surface sèche et mouillée est analysée. Le thème 2 généralise la méthode de modification du tenseur de pression aux cas d'écoulements à plusieurs composants, dont la viscosité des fluides est différente. Il permet de simuler des écoulements à ratios de densité et de viscosité élevés. Enfin, le thème 3 ajoute les effets thermiques au modèle multiphasique à plusieurs composants. Le changement de phase et les échanges de chaleur entre composants sont étudiés. Pour chacun des thèmes, un article scientifique a été rédigé et soumis à un journal.

Abstract

Multiphase flows with phase change and heat transfer occur in many industrial applications and natural processes. Despite the rapid development of numerical tools, the numerical simulation of fluid flows with multiple immiscible phases remains a challenge because of the inherent difficulty for tracking the interfaces. Usually, to solve this type of flows, numerical methods based on Navier Stokes equations coupled with Lagrangian or Eulerian methods are used. However, in recent decades, the Boltzmann method has emerged as a promising approach for simulating complex geometry flows and multiphase flows. In this context, the main objective of this thesis is to develop a 3D multiphase model based on the Boltzmann method which can study droplet impingement on a surface and analyze the phase change. To do this, the pseudo-potential model of Shan & Chen for simulating multiple phases and components flows is used as a starting point. This doctoral research is organized around three themes in order to highlight the contributions of this thesis. Test cases are carried out to validate the improvements made to the model and physical applications are proposed. The first theme improves the pseudo-potential model by decoupling the surface tension and the density. The pressure tensor of the 3D model is modified to allow an adjustment of the surface tension while preserving the thermodynamic consistency. In this topic, the study of the impingement of a droplet on a dry and wet surface is analyzed. Theme 2 generalizes the modification of the pressure tensor to cases of multi-component flows with different fluid viscosities. It allows simulating flows with high density and viscosity ratios. Finally, the theme 3 adds thermal effects to the multiphase multi-component model. Phase change and heat exchanges between components are studied. For each of the themes, a scientific article was written and submitted to a journal. These articles are presented in this document as a chapter.