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Modélisation numérique directe et des grandes échelles des écoulements turbulents gaz-particules dans le formalisme eulérien mésoscopique

Moreau, Mathieu (2006) Modélisation numérique directe et des grandes échelles des écoulements turbulents gaz-particules dans le formalisme eulérien mésoscopique.

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3.2 Mo

Abstract

Une nouvelle approche eulérienne aux grandes échelles (LES) pour simuler un nuage de particules inertielles soumis à une turbulence fluide est présentée. Elle est basée sur le formalisme eulérien mésoscopique (Février et al. (2005)) qui permet de décomposer la vitesse de chaque particule en une partie spatialement corrélée et une partie décorrélée. La dérivation des équations LES particulaires comprend deux étapes : une moyenne d'ensemble conditionnée par une réalisation du champ fluide turbulent est suivie d'un filtrage spatial LES classique des équations de transport. En conséquence, les termes à modéliser sont de deux sortes : ceux provenant de la moyenne d'ensemble sont modélis es par analogie avec les fermetures statistiques de la méthode aux moments, alors que l'effet des termes de sous-maille est prédit par des modèles similaires à ceux employés en turbulence monophasique compressible. Les différents modèles sont testés a priori à l'aide de résultats de simulations lagrangiennes pour la phase dispersée couplées à une résolution numérique directe du fluide en turbulence homogène isotrope décroissante. Les nombres de Stokes des écoulements simulés correspondent à des régimes de concentration préférentielle des particules. Le couplage inverse ainsi que les collisions interparticulaires ne sont pas pris en compte. L'interprétation de ces résultats lagrangiens en terme de champs eulériens mésoscopiques nécessite l'emploi d'une procédure de projection. Une projection de type gaussienne, spécialement développée permet de limiter les erreurs spatiales et statistiques. Les champs mésoscopiques sont, tout d'abord analysés en détail : évolution des grandeurs moyennes, spectres de vitesses, champs locaux instantanés. Puis ces champs sont filtrés spatialement. Les tests a priori des modèles de sous-mailles sont effectués et donnent des résultats similaires aux tests effectués en écoulements monophasiques en ce qui concerne le tenseur de sous-maille. ABSTRACT : The purpose of the paper is to develop a new large eddy simulation (LES) approach for a dispersed phase suspended in a fluid turbulent flow in the framework of the Eulerian modelling for inertial particles. Local instantaneous Eulerian equations for the particles are first written using the Mesoscopic Eulerian Formalism, which accounts for the contribution of an uncorrelated velocity component for inertial particles with relaxation time larger than the Kolmogorov time scale. Then, particle LES equations are obtained by volume filtering of mesoscopic Eulerian equations. In such approach, the particulate flow at larger scales than the filter width is recovered while subgrid effects need to be modelled. Particle eddy-viscosity, scale similarity and mixed subgrid stress (SGS) models derived from fluid compressible turbulence SGS models are presented. Evaluation of the proposed modelling approaches is performed using seven sets of particle Lagrangian results computed from discret particle simulation (DPS) coupled with fluid direct numerical simulation (DNS) of homogeneous isotropic decaying turubulence. Fluid acts on the particle through the Stokes drag force, two-way coupling and inter-particle collisions are not considered. Simulated Stokes numbers corresponds to prefential concentration regimes. Mesoscopic Eulerian fields are extracted from Lagrangian results by a projection process, which is equivalent to a spatial filter. A specific projector is develop to limit statistical bias and spatial error and is validated. First mesoscopic fields are analysed in detail including correlated velocity power spectra and uncorrelated energy modelling. The mesoscopic fields measured from DPS+DNS are then filtered to obtain large scale fields. A priori evaluation of particle subgrid stress models gives comparable agreement than fluid compressible turbulence tests. The standard Smagorinsky eddy-viscosity model exhibits the smaller correlation coefficients. The scale similarity model shows very good correlation coefficient but strongly underestimates the subgrid dissipation. The mixed model is on the whole superior to pure eddy-viscosity model

Department or laboratory:Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse - IMFT (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Simonin, Olivier
Uncontrolled Keywords:Ecoulement turbulent diphasique gaz-particules - Modélisation eulérienne des grandes échelles. KEYWORDS : Gas-particle turbulent flows - Eulerian LES modelling
Subjects:Hydraulics > Fluid dynamics
Mechanical engineering
Deposited On:20 July 2007

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