Vers Un Modele Multiphases Et Multicomposants Mpmc De Type Lattice Boltzmann Method Lbm Pour La Simulation Dynamique D Un Fluide Cyogenique Dans L Eau
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Vers un modèle multiphases et multicomposants (MPMC) de type Lattice Boltzmann Method (LBM) pour la simulation dynamique d'un fluide cyogénique dans l'eau
Au cours de cette thèse, un modèle LBM MPMC avec échanges thermiques est développé. Des tests d'assimilation de données et des mesures par flot optique sont réalisés en vue d'une validation. Le cadre d'application de cette thèse est celui du mélange d'un fluide cryogénique avec l'eau. Dans une première partie, un travail bibliographique rappelant l'équation de Boltzmann, ses diverses hypothèses et simplifications, ainsi que l'aspect algorithmique de la LBM sont exposés. Une comparaison entre opérateur de collision SRT et MRT est réalisée, et une simulation de phénomènes turbulents à différents nombres de Reynolds est étudiée, notamment avec le benchmark de l'instabilité de Von Karman. Dans une seconde partie, le modèle MPMC de Shan & Cehn est rappelé puis étendu au cas où les échanges thermiques entre composants sont présents. Des validations quantitatives sont faites, notamment avec le benchmark du fluide de Couette à deux phases ou à deux composants, du test de cohérence vis-à-vis de la loi de Laplace, ou encore par rapport à un benchmark faisant intervenir la conduction thermique. Des tests qualitatifs de condensation en milieu multicomposants sont proposés pour valider l'aspect des échanges thermiques entre composants en présence d'une transition de phase. Dans la troisième partie de cette thèse, une méthode de validation par assimilation de données est introduite, avec le filtrage de Kalman d'ensemble. Un test d'estimation d'état d'un fluide di-phasique est réalisé, et la compatibilité du filtrage de Kalman d'ensemble par rapport au modèle LBMMPMC est évaluée. Pour la validation du comportement du modèle d'un point de vue de la présence de deux composants, un fluide de substitution (non-cryogénique) au GNL, le butane, a été choisi pour permettre des observations dans des conditions expérimentales accessibles. Puis, une plateforme expérimentale d'injection de butane liquide dans une colonne d'eau sous pression est présentée. Des images d'ombroscopie issues d'expériences de remontée de butane liquide dans de l'eau sont exposées et un algorithme de calcul de flot optique est appliqué à ces images. Une évaluation qualitative des champs de vitesses obtenus par application de cet algorithme est réalisée.
Towards Development of a Multiphase Simulation Model Using Lattice Boltzmann Method (LBM)
Lattice Boltzmann Method is evolving as a substitute to the prevalent and predominant CFD modeling especially in cases such as multiphase flows, porous media flows and micro flows. This study is aimed at developing simulation model for multiphase flows for practical applications such as cavitation in a journal bearing or lubrication of micro contact. The code is first validated against benchmark single phase flows like Poiseulle flow and flow over a cylinder. In the process, various boundary conditions like velocity, pressure, out-flow, no-slip and periodic boundary conditions are tested. Finally, the Shan-Chen model for multiphase physics, which is based on the interaction force between the fluid particles, is incorporated into the code and is validated.
A Novel Lattice Boltzmann Method for Direct Numerical Simulation of Multiphase Flows
In summary, a systematic investigation is conducted to improve the stability and accuracy of the LBM for multiphase simulations. A novel LBM model is developed and its performance is studied in various test problems. The application of the new model in the simulation of bubble rise, droplet collision, and microchannel bubble formation further illustrates the enhanced capability of the current LBM model.