Modélisation et méthode de simulation numérique d'écoulements multiphasique avec changement de phase.

Les écoulements multiphasiques avec changement de phase sont courants dans les processus naturels et les applications industrielles. Une compréhension plus approfondie des transferts de masse et de chaleur sous-jacents est bénéfique pour faire avancer les technologies associées. Ces dernières années, avec le développement rapide des ordinateurs haute performance, la simulation numérique est devenue un outil important pour étudier les flux de changement de phase en raison de sa flexibilité et de sa capacité à fournir des informations physiques complètes. Cependant, en raison de sa complexité inhérente, la simulation numérique des flux de changement de phase est très difficile. Dans cette thèse, des modèles de changement de phase plus précis et des méthodes numériques plus efficaces ont été développés pour simuler les écoulements multiphasiques avec changement de phase. Les flux de changement de phase typiques ont été étudiés en utilisant le modèle développé et la méthode de simulation numérique, avec les mécanismes sous-jacents discutés en détail. Le travail principal de cette thèse peut être résumé comme suit : Premièrement, les écoulements multiphasiques compressibles avec changement de phase sont modélisés dans un cadre conservateur. Les interactions entre les différentes phases sont explicitement résolues en résolvant un problème de Riemann biphasique. Pour aborder les problèmes d'efficacité causés par les échelles de temps variables des différents fluides, un algorithme d'accélération est développé qui résout chaque fluide avec son propre pas de temps. La synchronisation entre les différentes phases est réalisée en résolvant les interactions aux interfaces avec des états intermédiaires interpolés. Il est démontré que les simulations peuvent être accélérées de 2 à 3 fois avec cet algorithme, et la perte de précision est négligeable. Pour inclure le changement de phase, un problème de Riemann généralisé impliquant quatre ondes est résolu à l'interface, avec des conditions de saut appropriées pour préserver la cohérence thermodynamique. Sur la base d'un système réduit, un solveur de Riemann approximatif est développé qui fonctionne efficacement pour les flux de changement de phase compressibles. La méthode développée est ensuite appliquée à l'étude de la vaporisation induite par choc des gouttelettes de carburant. Avec le changement de phase, l'évolution des structures d'onde, des champs d'écoulement, des formes de gouttelettes et du mouvement des gouttelettes est minutieusement étudiée à travers différents nombres de Mach. Par la suite, sous l'hypothèse d'incompressibilité, les flux à faible nombre de Mach avec changement de phase sont modélisés en utilisant une description à interface nette. L'interface est suivie par une méthode de suivi de front améliorée, la méthode Edge-based Interface Tracking (EBIT). En liant les marqueurs interfaciaux à la grille eulérienne de fond, la méthode EBIT permet une parallélisation efficace et une gestion automatique des changements de topologie. Sur la base de la méthode EBIT, un solveur précis, robuste et efficace pour les flux de changement de phase incompressibles est développé. Les oscillations non physiques induites par la discontinuité de vitesse à l'interface due au changement de phase sont éliminées à l'aide d'une méthode de fluide fantôme. L'ébullition nucléée dans le régime de microlayer est ensuite étudiée numériquement en détail, avec le transfert conjugué entre les domaines solide et fluide explicitement résolu. L'expérience d'ébullition nucléée menée au MIT est reproduite avec succès. Avec la convergence de grille, les résultats sont en bon accord avec les données expérimentales et les études numériques précédentes. Par rapport aux études antérieures, les heures CPU requises sont réduites de centaines de fois. L'influence de l'angle de contact est en outre étudiée, révélant des effets thermodynamiques cohérents à travers différents angles de contact.