Vers une approche CFD-DEM résolue d'ordre élevé pour la simulation directe d'écoulements autour d'essaims de particules

Les écoulements polyphasiques, et plus particulièrement les interactions solide-fluides, représentent un domaine d’intérêt majeur dans de nombreuses applications industrielles, allant du traitement des eaux à la production d’énergie. Cette omniprésence des écoulements solide-liquide en génie chimique a stimulé un effort de recherche intensif visant à comprendre et à modéliser les phénomènes complexes qui régissent le comportement physique de ces écoulements. La compréhension de ces interactions est essentielle non seulement pour l’optimisation des processus existants, mais aussi pour l’innovation dans le développement de nouvelles technologies. Cet intérêt est motivé par la nécessité de modéliser avec précision les interactions dynamiques entre les solides et les fluides, qui sont cruciales pour la performance et l’efficacité de ces processus industriels. Les défis inhérents à ces systèmes incluent la diversité des échelles impliquées, la complexité des phénomènes physiques et la nécessité de méthodes de modélisation numérique robustes et précises. Cette thèse s’inscrit dans ce contexte en abordant la nécessité d’une modélisation précise et rapide des écoulements fluides-solides à petite échelle, en particulier dans les systèmes où la dynamique de l’écoulement à l’échelle des particules influence la formation de structures (vortex, nuage de particules, etc) à plus grande échelle. L’objectif principal étant de développer une approche de modélisation de la dynamique des fluides numérique, appelée en anglais Computational Fluid Dynamics (CFD), combinée avec une méthode des éléments discrets, appelée en anglais Discrete Element Method (DEM) (CFD-DEM) d’ordre élevée et résolue à l’échelle des particules, pour identifier les mécanismes d’interaction hydrodynamique des particules en mouvement dans des écoulements incompressibles. Ce nouveau solveur permet l’étude des interactions hydrodynamiques entre particules dans des écoulements incompressibles à l’échelle de celles-ci. La thèse introduit une méthode de conditions immergées à ordre de convergence contrôlable pour représenter des assemblages de particules sphériques. Cette méthode, basée sur le concept de l’interface nette dans le contexte de la méthode des éléments finis, vise à simplifier le processus de maillage tout en préservant une précision élevée. Elle est testée et validée à travers des simulations de l’écoulement de Couette et l’étude de l’écoulement autour de sphères, en comparant les forces de traînée et les caractéristiques des zones de recirculation avec des résultats expérimentaux et numériques existants.

Abstract

Multiphase flows, and more specifically, solid-fluid interactions, represent a major area of interest in numerous industrial applications, ranging from water treatment to energy pro-duction. The ubiquity of solid-liquid flows in chemical engineering has stimulated intensive research efforts to understand and model the complex phenomena governing the physical behavior of these flows. Understanding these interactions is essential not only for optimizing existing processes but also for innovation in the development of new technologies. This in-terest is driven by the need to accurately model the dynamic interactions between solids and fluids, which are crucial for the performance and efficiency of various industrial processes. The inherent challenges in these systems include the diversity of scales involved, the com-plexity of the physical phenomena, and the need for robust and precise numerical modeling methods. This thesis tackles the need for precise and rapid modeling of solid-fluid flows at a small scale, especially in systems where the flow dynamics at the particle scale influence the for-mation of large-scale structures (Vortices, clusters of particles, etc). The main objective is to develop a high-order computational fluid dynamics (CFD) modeling approach combined with a discrete element method (DEM) (CFD-DEM) resolved at the particle scale to identify the hydrodynamic interaction mechanisms of moving particles in incompressible flows. This new solver allows the study of hydrodynamic interactions between particles in incompressible flows at their scale. The thesis introduces an immersed boundary method with a controllable order of convergence to represent assemblies of spherical particles. This method, based on the concept of the sharp interface in the context of the finite element method, aims to simplify the meshing process while maintaining high accuracy. It is tested and validated through Couette flow simulations and the study of flow around spheres, comparing drag forces and recirculation zone characteristics with existing experimental and numerical results.