Numerical simulation of boiling on unstructured grids
Simulation numérique de l'ébullition sur maillages non structurés
Résumé
The objective of this thesis is the numerical simulation of the boiling henomenon on unstructured grids. Boiling is the phase change of fluid particles from the liquid phase to the vapor phase under the action of thermal fluxes at the interface separating the two phases. Boiling is thus encountered in two-phase flows and driven by the mass transfer rate at the interface. This mass transfer rate is computed from the thermal fluxes on both sides of the interface. Consequently, a highly accurate numerical method is needed to locate the interface throughout the simulation. The Navier-Stokes equations are then coupled to the heat equation by means of the mass transfer rate at the interface. Such simulations have been performed by Tanguy et al. (J. Comput.Phys., 2014) on two-dimensional axisymmetric cartesian grids. In this thesis, weextend this methodology to three-dimensional unstructured grids (composed ofirregular tetrahedra, useful to describe complex geometries). We then developed a specific solver in the YALES2 code (finite-volume-based code for simulations of two-phase flows on 3D unstructured grids). The interface motion is captured by the Level Set method. Phase change implies velocity and pressure discontinuities at the interface which especially depend on the mass transfer rate. These discontinuities are taken into account by the Ghost Fluid Method, with two velocity fields and two temperature fields. This methodology being already well established for structured cartesian grids, the contribution of this thesis relies on the ability to simulate phase change by boiling on three-dimensional unstructured grids. The particularities of unstructured grids have demanded numerous developments for the reinitialization of the Level Set function after advection, as well as the use of high-order operators forthe computation of the mass transfer rate at the interface. The proposed developments are finally validated on unstructured grids against the analytical test-case of a 3D bubble expanding inside a superheated quiescent liquid.
Cette thèse a pour objectif la simulation numérique du phénomène d'ébullition sur maillages non structurés. L'ébullition est le changement de phase des particules fluides de la phase liquide vers la phase vapeur sous l'action des flux thermiques à l'interface séparant les deux phases. Il s'agit donc d'un phénomène rencontré au sein d'écoulements diphasiques et piloté par le taux de transfert de masse à l'interface. Ce taux de transfert de masse est calculé à partir des flux thermiques de part et d'autre de l'interface. Cela implique donc la nécessité d'adopter une méthode de suivi d'interface très précise pour localiser l'interface à tout instant de la simulation. Les équations de Navier-Stokes sont alors couplées à l'équation de la chaleur par l'intermédiaire du taux de transfert de masse à l'interface. De telles simulations ont été menées par Tanguy et al. (J. Comput. Phys., 2014) sur des maillages cartésiens axisymétriques en deux dimensions. Dans cette thèse, nous étendons cette méthodologie à des maillages non structurés en trois dimensions (maillages composés de tétraèdres non réguliers utiles pour décrire des géométries complexes). Pour ce faire, nous avons développé un solveur spécifique dans le code YALES2 (code diphasique basé sur la méthode des volumes finis pour des maillages 3D non structurés). Le suivi de l'interface est assuré par la méthode Level Set. Le changement de phase engendre des discontinuités de vitesse et de pression à l'interface qui dépendent notamment du taux de transfert de masse. Ces discontinuités sont prises en compte par la méthode Ghost Fluid à l'aide de deux champs de vitesse et deux champs de température. Cette méthodologie étant déjà bien établie pour des maillages structurés cartésiens, l'apport de cette thèse réside dans la possibilité de simuler le changement de phase par ébullition sur des maillages non structurés en trois dimensions. Les spécificités des maillages non structurés ont nécessité de nombreux développements pour la réinitialisation de la fonction Level Set après advection, ainsi que l'utilisation d'opérateurs d'ordres élevés pour le calcul du taux de transfert de masse à l'interface. L'ensemble des développements proposés est finalement validé sur maillages non structurés à l'aide du cas-test analytique d'une bulle 3D en expansion dans un liquide surchauffé au repos.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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