Multi-scale simulation and modeling of bubble cavitation at the wall in microgravity

Cette thèse présente une étude du comportement et de la modélisation numérique multi-échelle des écoulements diphasiques cryogéniques avec changement de phase, induits par variations de pression ou de température en microgravité. Un solveur diphasique compressible, basé sur la méthode Level Set/Ghost Fluid pour le suivi d’interface et utilisant des équations d’état cubiques pour représenter la thermodynamique liquide–vapeur, a été développé pour étudier la cavitation de bulles à la paroi. Ce solveur a été enrichi pour traiter les lignes de contact liquide/vapeur/solide, intégrer le transfert de chaleur conjugué afin de représenter le couplage thermique solide–fluide, et inclure un modèle d’évaporation nanométrique destiné à capturer le transfert de chaleur dans la nano-région (ligne de contact).La validation repose sur des comparaisons avec des solutions analytiques (dont celle de Scriven) et des tests d’expansion isotherme/isentropique, puis avec des observations expérimentales de dépressurisation en cuve en microgravité, confirmant la fidélité des prédictions. Les simulations numériques mettent en évidence la contribution de la nano-région dans la cavitation à la paroi en microgravité. Une étude paramétrique semblable à l'expérience a été menée pour le méthane, l’oxygène et l’hydrogène, révélant l’influence des propriétés du fluide et du taux de dépressurisation sur la croissance des bulles.À partir de ces simulations, des modèles d’ordre réduit ont été établis: deux corrélations pour le débit massique d’évaporation, deux corrélations reliant le flux thermique transitoire au mur à la dynamique des bulles. Grâce au modèle de changement de phase, des simulations multi-bulles ont été réalisées et les effets collectifs d’interaction et de coalescence sur le transfert thermique global ont été quantifiés.Ces résultats améliorent la compréhension des phénomènes d’ébullition et de cavitation dans les fluides cryogéniques en microgravité et contribuent à affiner les modèles prédictifs pour la gestion des ergols cryogéniques dans les systèmes spatiaux, avancées essentielles pour leur performance et leur sûreté.