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Modeling turbulent two-phase flows using Large-Eddy Simulation

Riber, Eleonore (2007) Modeling turbulent two-phase flows using Large-Eddy Simulation. (Développement de la méthode de simulation aux grandes échelles pour les écoulements diphasiques turbulents.)

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Abstract

La demande industrielle et l'intérêt scientifique croissants pour approfondir la connaissance des écoulements turbulents à phase dispersée est à l'origine du fort développement de la modélisation numérique de ce type d'écoulements. Ce travail de thèse se concentre sur les phénomènes physiques de dispersion et de concentration préférentielle de particules solides dans un gaz. Il vise à étendre à la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) le formalisme Eulérien mésoscopique introduit par Février et al. (2005), et récemment mis en oeuvre par Simulation Numérique Directe (SND) par Kaufmann et al. (2006). L'extension de l'approche Eulérienne mésoscopique à la SGE soulève deux principales difficultés. En terme de modélisation tout d'abord, la subtilité de cette approche réside dans la double origine des termes à fermer : ils sont issus d'une part de la moyenne d'ensemble introduite par le formalisme mésoscopique et d'autre part du filtrage spatial au sens de la SGE. Moreau (2006) propose des modèles de fermeture pour ces différents termes fondés sur des calculs lagrangiens a priori de Turbulence Homogène Isotrope (THI) décroissante chargée en particules. Ces modèles requièrent également une validation a posteriori, ce qui est l'objectif de la présente étude. La résolution numérique du système d'équations particulaires constitue la deuxime difficulté du modèle SGE Eulérien mésoscopique. En effet, ces équations ne présentent pas de termes diffusifs et induisent de forts gradients difficiles à représenter sur une grille de calcul. Dans cette étude, en premier lieu, le schéma TTGC (Colin & Rudgyard, 2000), reconnu pour ses faibles taux de dispersion et de dissipation, est étendu à la phase dispersée et couplé à une méthode de stabilisation numérique. La robustesse et la précision du modèle numérique obtenu sont ensuite démontrées en comparant les résultats d'une SND de THI décroissante chargée en particules avec des résultats de calculs lagrangiens. Finalement, le modèle SGE Eulérien mésoscopique est validé a posteriori dans deux géométries complexes pour lesquelles des données expérimentales détaillées sont disponibles. La première configuration est un jet vertical turbulent gaz-particules (Hishida et al., 1987) qui requiert le développement de conditions aux limites spécifiques pour la phase dispersée. La deuxième configuration est un jet recirculant chargé en particules (Borée et al., 2001) pour lequel des résultats lagrangiens sont également disponibles. La comparaison des SGE Eulériennes mésoscopiques avec les mesures, ainsi que les simulations lagrangiennes dans la deuxième géométrie, démontre la capacité de cette nouvelle approche à capturer la dynamique de ce type d'écoulements turbulents gaz-particules. ABSTRACT : Turbulent two-phase flows occur in a wide range of industrial processes, which strongly encourages the development of numerical methods for such flows. This work focuses on the physical phenomena of dispersion and preferential concentration of solid particles in a gas flow. The main purpose is to extend to Large-Eddy Simulation (LES), the Eulerian mesoscopic formalism introduced by Février et al. (2005) and first implemented by Kaufmann et al. (2006) to perfom Direct Numerical Simulation (DNS). When extending the Eulerian mesoscopic approach to LES, two main issues arise. First, as far as modeling is concerned, two different kinds of unclosed terms appear in the transport equations for the dispersed phase, which is very specific to this approach. Those terms are due either to ensemble averaging introduced by the mesoscopic approach, or by LES spatial filtering. Several closure models are proposed and tested a priori by Moreau (2006) who performs Discrete Particle Simulation (DPS) of particle-laden Homogeneous Isotropic decaying Turbulence (HIT). A posteriori validating these models is then required, which is the aim of the present work. Second, it is delicate to handle numerically the set of transport equations for the dispersed phase. Indeed, there are no physical diffusive terms in the transport equations and strong gradients difficult to represent on the grid must be accounted for. Consequently, first in this work, a new numerical method is proposed. The numerical scheme TTGC (Colin & Rudgyard, 2000) that is known to be few dispersive and few dissipative, is adapted to the dispersed phase and combined with a stabilising numerical method. Then, comparing Direct Numerical Simulation (DNS) of particle-laden decaying HIT flows performed with the Eulerian mesoscopic approach and the Lagrangian one shows the robustness and the accuracy of the numerical method proposed. Finally, the LES Eulerian mesoscopic modeling is validated a posteriori in two different complex geometries. For both, a detailed bank of experimental data are available. The first configuration consists of a particle-laden turbulent jet (Hishida et al., 1987). It requires to develop specific inlet Boundary Conditions (BC) for the dispersed phase. The second configuration is a particle-laden bluff body (Borée et al., 2001) where Eulerian mesoscopic and Lagrangian approaches can be evaluated. Comparing LES using the Eulerian mesoscopic approach with the experiments, and even with the DPS for the second geometry, shows that this new approach is able to accurately capture the dynamics of such particle-laden turbulent flows.

Department:Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique - CERFACS (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Simonin, Olivier and Cuenot, Benedicte
Uncontrolled Keywords:Écoulements diphasiques turbulents gaz-particules - Dispersion de particules - Modélisation Eulérienne mésoscopique - Simulation aux grandes échelles. KEYWORDS : Gas-particle turbulent two-phase flows - Particle dispersion - Eulerian mesoscopic modeling - Large-eddy simulation.
Subjects:Hydraulics > Fluid dynamics
Deposited On:26 February 2008

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