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Jeudi 10 décembre 2015, soutenance de thèse de Boris CHARRIERE - 14h30, Amphithéâtre K118, site Bergès

Modélisation et simulation d’écoulements turbulents cavitants avec un modèle de transport de taux de vide

Membres du jury

- Mme Maria Vittoria SALVETTI Professeure, Université de Pise, Rapporteur
- Mr Farid BAKIR, Professeur, ENSAM, Rapporteur
- Mr Jean-Baptiste DEUFF Docteur, DGA Techniques Hydrodynamiques, Examinateur
- Mme Claire SEGOUFFIN Ingénieur, Alstom Hydro France, Examinateur
- Mme Henda DJERIDI Professeure, Grenoble-INP Président du Jury
- Mr Eric GONCALVES DA SILVA Professeur, ENSMA, Directeur de Thèse.

Résumé

La simulation numérique des écoulements turbulents cavitants revêt de nombreuses difficultés tant dans la modélisation des phénomènes physiques que dans le développement de méthodes numériques robustes. En effet de tels écoulements sont caractérisés par un changement de phase associé à des gradients de la masse volumique, des variations du nombre de Mach causées par une chute de la vitesse du son, des zones de turbulence diphasique et la présence d’instationnarités. Les travaux de la présente thèse s’inscrivent dans la continuité des études expérimentales et numériques menées au sein du Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels (LEGI), qui visent à améliorer la compréhension et la modélisation d’écoulements cavitants. Les simulations s’appuient sur un code compressible associé à une technique de pré-contionnement bas-Mach qui permet de traiter les zones incompressibles. Les écoulements diphasiques sont reproduits à l’aide d’un modèle de mélange homogène 1-fluide avec discrétisation implicite en pas de temps dual. Enfin la résolution adopte l’approche moyennée RANS qui couple le système des équations de conservation avec des modèles de turbulence du premier ordre basés sur la notion de viscosité turbulente. Dans les zones diphasiques, le calcul des variables thermodynamiques nécessite l’introduction d’équations d’état. La pression au sein du mélange est ainsi reliée aux grandeurs conservatives soit à partir d’une équation d’état de mélange des gaz raides, soit par une relation sinusoïdale incorporant la fraction volumique de vapeur (le taux de vide). La valeur ajoutée de ces travaux de thèse repose sur l’introduction d’une équation de transport pour le calcul du taux de vide. Celle-ci incorpore un terme source dont le transfert de masse entre les phases est fermé grâce à une hypothèse de proportionnalité à la divergence du champ de vitesse. Outre l’amélioration des phénomènes de convection, de dilatation et de collapse, cette équation supplémentaire permet de relaxer l’équilibre thermodynamique local et d’introduire un état métastable pour la phase vapeur. Les simulations 2D et 3D sont réalisées sur des géométries de type Venturi caractérisées par le développement de poches de cavitation partielle instables. L’objectif consiste à reproduire les instationnarités inhérentes à chaque profil telles que la formation d’un jet rentrant liquide à proximité de la paroi ou la production de nuages de vapeur convectés par l’écoulement principal. Les résultats numériques mettent en avant une variation de la fréquence des instationnarités en fonction du calcul de la vitesse du son en zone de mélange. D’autre part, la prise en compte de déséquilibre de la phase vapeur amplifie les phénomènes de propagation d’ondes de pression générées par le collapse des structures cavitantes et participe à la déstabilisation de la poche. Enfin, l’influence de l’équation de transport de taux de vide est analysée en confrontant les résultats des simulations à ceux obtenus ultérieurement à partir d’un modèle à seulement trois équations de conservation.

- Mots clés :Cavitation, simulations URANS, modèle homogène 1-fluide, transferts de masse, équation de transport de taux de vide