Numerical simulation of compressible multiphase flows with or without phase transition. Application to laser plasma interaction
Simulation numérique des écoulements multiphasiques compressibles
avec ou sans changement de phase. Application à l'interaction laser-plasma
Résumé
This work deals with the modelling and simulation of compressible flows. A seven equations model is obtained by homogenizing the Euler system. Fluctuation terms are modeled as relaxation terms. When the relaxation terms tend to infinity, which means that the phases are well mixed, a five equations model is obtained via an asymptotic expansion. This five equations model is strictly hyperbolic, but nonconservative. The discretization of this model is obtained by an asymptotic expansion of a scheme for the seven equations model. The numerical method is implemented, validated on analytic cases, and compared with experiments in the case of multiphase shocks. We are then interested in the modelling of phase transition with two equations of state. Optimization of the mixture entropy leads to the fact that three zones can be separated: one in which the pure liquid is the most stable, one in which the pure gas is the most stable, and one in which a mixture with equality of temperature, pressure and chemical potentials is the most stable. Conditions are given on the coupling of the two equations of state for ensuring that the mixture equation of state is convex, and that the system is strictly hyperbolic. In order to take into account phase transition, a vaporization wave is introduced in the solution of the Riemann problem, that is modeled as a deflagration wave. It is then proved that the usual closure, the Chapman-Jouguet closure, is wrong in general, and a correct closure in the case when both fluids have a perfect gas equation of state. Last, the solution of the Riemann problem is implemented in a multiphase code, and validated on analytic cases. In the same code, models of laser release and thermal conduction are implemented to simulate laser ablation. The results are comparable to the ones obtained with scale laws. The last chapter, fully independent, is concerned with correctors in stochastic homogenization in the case of heavy tails process.
Ce travail porte sur la modélisation et la simulation d'écoulements compressibles. Par une démarche d'homogénéisation, on commence par dériver un modéle d'écoulements diphasiques à sept équations. Les termes de fluctuation restants sont modélisés par des termes de relaxation. Dans le cas où ces coefficients de relaxation tendent vers l'infini, ce qui correspond à des écoulements très bien mélangés, on obtient par un développement asymptotique un modèle à cinq équations qui est strictement hyperbolique, mais non-conservatif. La discrétisation de ce modèle est obtenue par un développement asymptotique d'un schéma numérique pour le système à sept équations. Le schéma obtenu est implémenté, validé sur des cas analytiques, et comparé dans le cas de chocs multiphasiques à des résultats expérimentaux.
On s'intéresse ensuite à la modélisation du changement de phase avec deux équations d'état. Un principe d'optimisation de l'entropie de mélange mène à distinguer trois zones: une zone où le liquide pur est le plus stable, une autre zone où le gaz pur est le plus stable, et, enfin, une zone où un mélange à l'équilibre des pressions, températures et potentiels thermodynamiques est stable. On donne alors des conditions sur le couplage des deux équations d'état pour que l'équation d'état de mélange soit convexe, et pour que le système soit hyperbolique. Afin de prendre en compte le changement de phase, on introduit dans la solution du problème de Riemann une onde de vaporisation modélisée comme une onde de déflagration. On montre ensuite que la fermeture habituelle, la fermeture de Chapman-Jouguet, est inadéquate en général, et on donne une fermeture correcte dans le cas où les deux phases sont des gaz parfaits. Enfin, la solution du problème de Riemann est implémentée dans un code multiphasique, et validée sur des cas analytiques. Dans ce même code, on met en place un modèle de dépôt laser et de conduction thermique non linéaire afin de modéliser les phénomènes physiques intervenant dans l'ablation laser. Les résultats obtenus sont comparables à ceux obtenus avec des lois d'échelle.
Le dernier chapitre, complètement indépendant, porte sur la recherche de correcteurs en homogénéisation stochastique dans le cas de processus à queue lourde.
On s'intéresse ensuite à la modélisation du changement de phase avec deux équations d'état. Un principe d'optimisation de l'entropie de mélange mène à distinguer trois zones: une zone où le liquide pur est le plus stable, une autre zone où le gaz pur est le plus stable, et, enfin, une zone où un mélange à l'équilibre des pressions, températures et potentiels thermodynamiques est stable. On donne alors des conditions sur le couplage des deux équations d'état pour que l'équation d'état de mélange soit convexe, et pour que le système soit hyperbolique. Afin de prendre en compte le changement de phase, on introduit dans la solution du problème de Riemann une onde de vaporisation modélisée comme une onde de déflagration. On montre ensuite que la fermeture habituelle, la fermeture de Chapman-Jouguet, est inadéquate en général, et on donne une fermeture correcte dans le cas où les deux phases sont des gaz parfaits. Enfin, la solution du problème de Riemann est implémentée dans un code multiphasique, et validée sur des cas analytiques. Dans ce même code, on met en place un modèle de dépôt laser et de conduction thermique non linéaire afin de modéliser les phénomènes physiques intervenant dans l'ablation laser. Les résultats obtenus sont comparables à ceux obtenus avec des lois d'échelle.
Le dernier chapitre, complètement indépendant, porte sur la recherche de correcteurs en homogénéisation stochastique dans le cas de processus à queue lourde.
Loading...