Adaptive multilevel mesh refinement method for the solution of low Mach number reactive flows
Méthode adaptative de raffinement local multi-niveaux pour le calcul d'écoulements réactifs à faible nombre de Mach
Résumé
The isobar approximation for the system of the balance equations of mass, momentum, energy and chemical species is a suitable approximation to represent low Mach number reactive flows. In this approximation, which neglects acoustics phenomena, the mixture is hydrodynamically incompressible and the thermodynamic effects lead to an uniform compression of the system. We present a novel numerical scheme for this approximation. An incremental projection method, which uses the original form of mass balance equation, discretizes in time the Navier-Stokes equations. Spatial discretization is achieved through a finite volume approach on MAC-type staggered mesh. A higher order decentered scheme is used to compute the convective fluxes. We associate to this discretization a local mesh refinement method, based on Flux Interface Correction technique. A first application concerns a forced flow with variable density which mimics a combustion problem. The second application is natural convection with first small temperature variations and then beyond the limit of validity of the Boussinesq approximation. Finally, we treat a third application which is a laminar diffusion flame. For each of these test problems, we demonstrate the robustness of the proposed numerical scheme, notably for the density spatial variations. We analyze the gain in accuracy obtained with the local mesh refinement method.
L'approximation isobare du système d'équations de bilan de masse, de quantité de mouvement, d'énergie et des espèces chimiques est une approximation appropriée pour représenter les écoulements réactifs à faible nombre de Mach. Dans cette approximation, qui néglige les phénomènes acoustiques, le mélange est hydrodynamiquement incompressible et les effets thermodynamiques conduisent à une compression uniforme du système. Nous présentons une nouvelle méthode numérique pour cette approximation. Une méthode de projection incrémentale, qui utilise la forme originale du bilan de masse, assure la discrétisation temporelle des équations de Navier-Stokes. La discrétisation spatiale est réalisée avec une méthode de volumes finis sur un maillage décalé de type MAC. Un schéma de décentrement d'ordre élevé est utilisé pour les flux convectifs. Nous associons à cette discrétisation, une méthode de raffinement local multi-niveaux, basée sur l'approche de Correction de Flux à l'Interface. Une première application concerne un écoulement forcé avec masse volumique variable donnée, imitant un problème de combustion. La deuxième application est le problème de convection naturelle, tout d'abord pour de faibles variations de température puis au-delà de la limite de validité de l'approximation de Boussinesq. Enfin, la troisième application est une flamme de diffusion laminaire. Pour chacun de ces cas-test, nous montrons la robustesse de la méthode numérique proposée, notamment vis à vis des variations de masse volumique. Et nous analysons le gain en précision obtenu par la méthode de raffinement local multi-niveaux.