Development of a numerical code for the simulation of non-miscible fluid flow. Application to the air-assisted disintegration of a liquid jet.
Développement d'un code de calcul pour la simulation d'écoulements de fluides non miscibles. Application à la désintégration assistée d'un jet liquide par un courant gazeux.
Résumé
The object of this thesis was to develop a numerical code for the simulation of diphasic flow with immiscible, incompressible and isothermal fluids in the aim to apply it to the phenomenon of fragmentation of a liquid jet, and more particularly to the air-blasted liquid jet atomization.
Physical hypotheses and associated numerical schemes choices were made to respect in best the complex physic of a liquid jet atomization. The incompressible Navier-Stokes equations numerical resolution is made in a DNS way by means of a projection method. Afterwards, the rising and promising Level-Set method insures the numerical tracking of the surface between two immiscible fluids. Finally, the Ghost Fluid method allows a correct treatment of the discontinuities crossing the interface by respecting at the discret level jump conditions between balance of the capillarity, pressure and viscosity forces. The good capacities of such numerical schemes are shown through some academic tests cases.
The physical mechanisms involved during the primary atomization of a liquid jet made the object of numerous theoretical and experimental studies. The instabilities developing at the surface of the liquid are multiple and clearly three-dimensional. At present and in spite of many research efforts, no theory or model reports strictly this phenomenon. Now, it is shown that the numerical tool can throw a new light. For example, the impact of the gaz boundary layer on the oscillation frequency is studied. We were also able to find by the simulation the intrinsic ligament dynamics in the air-blasted atomization by a liquid jet.
Physical hypotheses and associated numerical schemes choices were made to respect in best the complex physic of a liquid jet atomization. The incompressible Navier-Stokes equations numerical resolution is made in a DNS way by means of a projection method. Afterwards, the rising and promising Level-Set method insures the numerical tracking of the surface between two immiscible fluids. Finally, the Ghost Fluid method allows a correct treatment of the discontinuities crossing the interface by respecting at the discret level jump conditions between balance of the capillarity, pressure and viscosity forces. The good capacities of such numerical schemes are shown through some academic tests cases.
The physical mechanisms involved during the primary atomization of a liquid jet made the object of numerous theoretical and experimental studies. The instabilities developing at the surface of the liquid are multiple and clearly three-dimensional. At present and in spite of many research efforts, no theory or model reports strictly this phenomenon. Now, it is shown that the numerical tool can throw a new light. For example, the impact of the gaz boundary layer on the oscillation frequency is studied. We were also able to find by the simulation the intrinsic ligament dynamics in the air-blasted atomization by a liquid jet.
L'objet de cette thèse a été de développer un code de calcul pour la simulation d'écoulements diphasiques de fluides non miscibles, incompressibles et isothermes afin de l'appliquer au phénomène de fragmentation d'un jet liquide, et plus particulièrement à la désintégration assistée d'une nappe de liquide par deux écoulements d'air portés à haute vitesse.
Les choix des hypothèses physiques et des schémas numériques associés ont été fait afin de respecter au mieux la physique complexe de brisure d'un jet liquide. La résolution des équations de Navier-Stokes incompressibles est faite de façon directe par le biais d'une méthode de projection. La méthode naissante et prometteuse Level-Set assure quant à elle le suivi numérique de la surface de séparation entre deux fluides non miscibles. Enfin, la méthode Ghost Fluid permet un traitement correct des discontinuités à la traversée de l'interface en préservant au niveau discret les conditions de saut entre équilibre des forces de capillarité, de pression et de viscosité. Les bonnes aptitudes de tels schémas numériques sont montrées à travers une batterie de cas tests académiques.
Les mécanismes physiques mis en jeu lors de l'atomisation primaire d'un jet liquide ont fait l'objet de nombreuses études théoriques et expérimentales. Les instabilités se développant à la surface du liquide sont multiples et clairement tridimensionnelles. Actuellement et malgré beaucoup d'efforts de recherche, aucune théorie ou modèle ne rend compte rigoureusement de ce phénomène. Or, il est montré que l'outil numérique peut apporter une lumière nouvelle. Par exemple, l'impact de la couche limite gazeuse sur la fréquence d'oscillation est étudié. Nous avons également pu retrouver par la simulation la dynamique ligamentaire intrinsèque à la désintégration assistée d'un jet liquide.
Les choix des hypothèses physiques et des schémas numériques associés ont été fait afin de respecter au mieux la physique complexe de brisure d'un jet liquide. La résolution des équations de Navier-Stokes incompressibles est faite de façon directe par le biais d'une méthode de projection. La méthode naissante et prometteuse Level-Set assure quant à elle le suivi numérique de la surface de séparation entre deux fluides non miscibles. Enfin, la méthode Ghost Fluid permet un traitement correct des discontinuités à la traversée de l'interface en préservant au niveau discret les conditions de saut entre équilibre des forces de capillarité, de pression et de viscosité. Les bonnes aptitudes de tels schémas numériques sont montrées à travers une batterie de cas tests académiques.
Les mécanismes physiques mis en jeu lors de l'atomisation primaire d'un jet liquide ont fait l'objet de nombreuses études théoriques et expérimentales. Les instabilités se développant à la surface du liquide sont multiples et clairement tridimensionnelles. Actuellement et malgré beaucoup d'efforts de recherche, aucune théorie ou modèle ne rend compte rigoureusement de ce phénomène. Or, il est montré que l'outil numérique peut apporter une lumière nouvelle. Par exemple, l'impact de la couche limite gazeuse sur la fréquence d'oscillation est étudié. Nous avons également pu retrouver par la simulation la dynamique ligamentaire intrinsèque à la désintégration assistée d'un jet liquide.
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