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Étude théorique et numérique de la modélisation instationnaire des écoulements turbulents anisothermes gaz-particules par une approche Euler-Euler

Masi, Enrica (2010) Étude théorique et numérique de la modélisation instationnaire des écoulements turbulents anisothermes gaz-particules par une approche Euler-Euler. (Theoretical and numerical study of the modeling of unsteady non-isothermal particle-laden turbulent flows by an Eulerian-Eulerian approach.)

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Abstract

Le contexte général de cette thèse s'inscrit dans le cadre de la modélisation eulérienne instationnaire des écoulements turbulents anisothermes gaz - particules. La modélisation de ces écoulements est cruciale pour de nombreuses applications industrielles et pour la prédiction de certains phénomènes naturels. Par exemple, la combustion diphasique dans les moteurs automobiles et aéronautiques est précédée par l'injection et la dispersion de carburant liquide dans la chambre de combustion. Les phénomènes mis en jeu exigent alors une prédiction locale tenant compte du caractère instationnaire de l'écoulement turbulent et de la présence de géométries complexes. De plus, de nombreuses études expérimentales et numériques récentes ont mis en évidence le rôle prépondérant de l'inertie des particules sur les mécanismes de dispersion et de concentration préférentielle en écoulement turbulent. Ceci rend donc indispensable la prise en compte de ces mécanismes dans la modélisation diphasique. Au cours de ce travail de thèse, une approche eulérienne locale et instantanée a été développée pour prédire les écoulements gaz-particules anisothermes et turbulents. Elle est basée sur l'approche statistique du Formalisme Eulérien Mésoscopique (MEF) introduite par Février et al. (JFM, 2005). Cette approche a été ici étendue aux variables thermiques pour la prise en compte du caractère anisotherme de l'écoulement. Cette approche a été ensuite utilisée dans le cadre de la méthode des moments (Kaufmann et al., JCP, 2008), et un système d'équations locales et instantanées pour la phase dispersée a été proposé. La modélisation au premier ordre exige la fermeture des moments de second ordre apparaissant dans les équations de la quantité de mouvement et de l'énergie. La proposition de telles relations constitutives fait l'objet d'une partie de la thèse. Afin de fournir une méthode capable de prédire le comportement local, instantané et anisotherme de la phase dispersée dans des configurations `a une échelle réaliste, les équations pour la phase dispersée ont été filtrées et une modélisation aux grandes échelles (LES) est effectuée. Cette modélisation étends, par la prise en compte des variables thermiques, le travail de Moreau et al. (FtaC, 2010) sur l'approche LES Euler-Euler en conditions isothermes. L'approche complète est enfin appliquée aux résultats de simulation numérique d'un jet plan turbulent gazeux froid, chargé en particules, dans une turbulence homogène isotrope chaude monophasique. ABSTRACT : The aim of this thesis is to provide an Eulerian modeling for the dispersed phase interacting with unsteady non-isothermal turbulent flows. The modeling of these flows is crucial for several industrial applications and for predictions of natural events. Examples are the combustion chambers of areo engines where the combustion is preceded by the injection and dispersion of liquid fuel. The prediction of such phenomena involves a local modeling of the mixture for taking into account the unsteady behavior of the turbulent flow and the presence of complex geometries. Moreover, many experimental and numerical studies have recently highlighted the significant role of the particle inertia on the mechanisms of dispersion and preferential concentration. Accounting for such mechanisms is therefore essential for modeling the particle-laden turbulent flows. In this thesis, a local and instantaneous Eulerian approach able to describe and to predict the local behavior of inertial particles interacting with non-isothermal turbulent flows has been developed. It is based on the statistical approach known as Mesoscopic Eulerian formalism (MEF) introduced by Février et al. (JFM, 2005). The statistical approach has been extended to the thermal quantities in order to account for the non-isothermal conditions into the modeling. This formalism is then used in the framework of the moment approach (Kaufmann et al., JCP, 2008) and a system of local and instantaneous equations for the non-isothermal dispersed phase has been suggested. The first order modeling requires to close second-order moments appearing in momentum and energy equations. The proposal of such constitutive relations makes the object of a part of this study. In order to provide an Eulerian approach usable in real configurations at industrial scale, the equations of the dispersed phase are filtered and the approach developed in the framework of the Large-Eddy Simulations. From the work of Moreau et al. (FTaC, 2010), the Eulerian-Eulerian LES approach is then extended to non-isothermal conditions. The whole modeling is then a priori tested against numerical simulations of a cold planar turbulent particle-laden jet crossing a homogeneous isotropic decaying hot turbulence.

Department or laboratory:Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse - IMFT (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Simonin, Olivier
Uncontrolled Keywords:Ecoulement turbulent instationnaire gaz-particules - Approche Eulérienne - Fermetures au premier ordre - Approche aux grandes échelles. KEYWORDS : Unsteady turbulent particle-laden flows - Eulerian approach - One-point closures - Large-eddy simulations
Subjects:Hydraulics > Fluid mechanics
Deposited On:17 September 2010

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