La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

Modélisation et simulation découlements diphasiques chargés de particules polydispersées nanométriques dans les MPS à laide dune méthode eulérienne François.

Présentations similaires


Présentation au sujet: "Modélisation et simulation découlements diphasiques chargés de particules polydispersées nanométriques dans les MPS à laide dune méthode eulérienne François."— Transcription de la présentation:

1 Modélisation et simulation découlements diphasiques chargés de particules polydispersées nanométriques dans les MPS à laide dune méthode eulérienne François DOISNEAU Doctorant 3 ème année ONERA, DEFA/PrS Direction : Marc MASSOT, Frédérique LAURENT (EM2C) Joël DUPAYS (DEFA - Unité Propulsion Solide)

2 2 Contexte – La Propulsion Solide Moteur à Propergol Solide (boosters, missiles…) : Aluminium => impulsion spécifique Combustion => alumine liquide (Al 2 O 3 ) Gouttes polydisperses (micrométriques à > Dupays 96 ) Interaction spray/écoulement => dégradation des performances Problèmes : Influence sur les instabilités dans la chambre Pertes dimpulsion spécifique dans la tuyère dues à linertie des gouttes Erosion de la structure interne Flaque dalumine dans le fond arrière de certains moteurs Rayonnement des gouttes dans le jet de sortie de tuyère Combustion de propergol en bombe (ONERA) Boosters P230 au décollage dAriane 5 Formation de la flaque dalumine dans le fond arrière

3 diffusion ū=u gaz brownien 3 Phenomènes : Interactions gaz-goutte (traînée, chauffage, évaporation) Interactions goutte-goutte (coalescence, rebond, fragmentation) Phénomènes non résolus (turbulence, acoustique, nanophysique…) Rôle clef de la taille : De la phase séparée à la phase dispersée (CORIA) rayon (μm) τ ~r 2 raide Relaxation Agitation MULTI-FLUIDE ? Modèle Coalescence balistique ? 0.1 Multi-Vitesse Granulométrie P230 Lagrangien croisement MULTI-FLUIDE couplé NANO Sprays I – Physique conditionné par la taille

4 transport libre évaporation traînée chauffage sources (coalescence…) 4 Immense nombre de gouttes Peu de propriétés chacune modèle cinétique description statistique à travers une fonction de distribution en nombre (NDF) satisfait une équation de type Boltzmann (échelle mésoscopique) : coalescence concentration de partenaires de collision paramètre de collision taille de goutte Sprays II – Approach cinétique

5 Sprays III – Méthode « Multi-Fluide » eulérienne 5 Couplage taille-vitesse : (choix = surface ) Discretisation en taille : (volumes finis) Vitesse unique par section : Distribution dans chaque section : (2 moments, Dufour 05 ) Sections (2 moments) Sections (1 moment) Multi-Fluide ( Massot et Laurent 01 et 04 ) :

6 Moments en taille éq. de conservation (type fluide sans pression) pour chaque section k 6 Transferts dans lespace des phases (évaporation) n s s k-1 section (limites fixes, vitesse unique) s k 1 moment 2 mom. couplage au gaz coalescence Sprays IV – Méthode « Multi-Fluide » eulérienne

7 7 Plan Partie I : Méthode de coalescence Multi-Fluide Eulérienne à deux moments en taille* *résultats présentés à lICMF 2010 et EUCASS 2011 et soumis dans J. Comp. Physics 2011

8 88 Termes sources de coalescence : création et disparition de nombre, masse, qdm Entre deux sections i et j pour former k : NDF iNDF j Section efficace Efficacités de collision/coalescence Différence de vitesse Masse avec ~3.N 2 calculs dintégrale double à chaque pas de temps! quadrature de Newton-Cotes (equirépartie, 25 à 81points) quadrature à abscisse adaptative (4 points suffisent) Coalescence I – Termes source du Multi-Fluide

9 Coalescence II – Couplage taille/dynamique 9 injection lognormale sortie après transport et coalescence Simulation de linjection lognormale dans une tuyère avec traînée et coalescence (code de recherche) Validation de la méthode dordre 2 Mise en évidence du rôle de la polydispersion Compromis temps/précision pour la propulsion solide

10 Coalescence II – Couplage taille/dynamique (contd) 10 Nombre critique de sections (cas de coalescence intensifié) :

11 Coalescence III – Distributions raides Simulation de la croissance dune goutte parcourant un brouillard (code de recherche) Modèles defficacité de collision Validation par lexpérience de DHerbigny 01 Validation par solution analytique approchée 11 Expérience de DHerbigny (ONERA) Importance des lois defficacité de collision r r m m

12 Coalescence III – Distributions raides (contd) 12 Distribution de taille à différentes hauteurs (rouge : ordre 1; vert : ordre 2) Mise en évidence de la diffusion numérique dans lespace des phases Rayons (microns)

13 13 Cas du TEP (stationnaire) : 2D axi, injection bimodale pariétale ET fond Coalescence satisfaisante Bonne comparaison avec le lagrangien Comparaison SPIREE/SPARTE Diamètre moyen (μm) et trajectoires des particules Ecart relatif sur le nombre de Mach (%) Eulerien Lagrangien Champs de fraction volumique (s.d.) Coalescence IV – Applications

14 14 Cas du LP10 (instationnaire) : 2D axi, mailles Injection dune distribution lognormale de particules de zircone Simulation : 3 sections Pas de loi defficacité ~10h sur 32 cœurs Nehalem Coalescence IV – Applications

15 15 Norme du rotationnel (rad/s) section 3 section 2 section 1 section 3 section 2 section 1 Coalescence IV – Applications Diamètre moyen (µm) Fraction volumique par section (s.d.)

16 16 Comportement très satisfaisant Temps calcul raisonnables Algorithme efficace Solveur robuste Validation à poursuivre en effectuant des comparaisons croisées eulérien-lagrangien Limitations actuelles du solveur « Multi-Fluide » Restreint à des gouttes inertes (pas de termes sources de transfert de masse) Fragmentation en cours de développement (A. Murrone) Restreint à des gouttes > micron Une seule vitesse par section ( Chaisemartin 09, Kah 10 ) Coalescence V – Conclusions

17 17 Partie II : Two-way coupling pour chargements modérément denses et cas des gouttes microniques* *résultats présentés à la JPC 2011 et à lINCA 2011 Plan

18 Couplage I – Deux Problèmes X part >10% Couplage fort gaz-gouttes Système complet (cas non coalescent) : décroît comme Raideur

19 Couplage II – Séparation dopérateurs Opérateur « acoustique » par splitting ordre 2 « de Strang » : Rem : transport des sections également splitté

20 Couplage III – Prescription du pas de temps Influence des échelles de temps physiques: avec un code de recherche et dans CEDRE

21 Couplage III – Validation quantitative Cas dacoustique diphasique avec un code de recherche et dans CEDRE

22 Couplage IV – Applications Cas de moteurs 2D : LP10 (comparaison avec lancien couplage) P230 (extension à la coalescence par splitting) :

23 Couplage V – Conclusions Couplage par splitting dopérateur : Ajustable (précision/coût) Robuste (dense) Robuste (gouttes microniques) Simplifie la programmation (choix explicite/implicite) Extension à dautres opérateurs (coalescence) Perspectives (avec A. Sibra, thèse ONERA ) : Implanté dans CEDRE mais non interfacé. Poursuite des validations (chocs…) Extension à lévaporation/combustion Extension à dautres solveurs?

24 24 Plan Partie III : Cas des gouttes nanométriques

25 Nanométrique I – Phénomènes physiques Physique propre à léchelle nanométrique : Diffusion Mouvement brownien Corrections Forces Thermophorèse Autres (barophorèse, diffusiophorèse, photophorèse…) Coalescence/Agglomération Brownienne Nouvelles lois defficacité Pas dinertie (a priori) 25 Force de thermophorèse Agglomération colloïdale Diffusion brownienne

26 Nanométrique II – Coalescence brownienne Coalescence dans le cas « dispersion en vitesse » Modèle type « Multi-Fluide » Profil gaussien des vitesses (équation de Fokker-Planck) Calcul des intégrales de collision Codage et simulation 26 Simulation de la coalescence due à une dispersion arbitraire Application à la coalescence brownienne Extensions? (turbulence, croisements) Intégrale de collision adimensionnée fonction du différentiel de vitesse (pour différentes dispersions)

27 Nanométrique III – Perspectives Modèle nanométrique complet (approche cinétique) dériver la forme des termes de force des principes premiers intégrer la coalescence brownienne déterminer le domaine de validité en taille MF nano (sans inertie, diffusions et coalescence brownienne) 27 Modèle fédérateur unifier lapproche sur toutes les gammes de tailles dintérêt traiter déventuels cas intermédiaires coupler la méthode MF à deux moments (résolue en quantité de mouvement) avec le MF nano Lien avec la turbulence ? (Reeks 77)

28 Conclusion Générale Crédo de cette thèse : Modèles et méthodes numériques associées en vue du traitement de toutes les tailles de gouttes dans un MPS

29 Communications I [ICMF] F. Doisneau, F. Laurent, A. Murrone, J. Dupays, and M. Massot. Optimal Eulerian model for the simulation of dynamics and coalescence of alumina particles in solid propellant combustion. In Proceedings of the 7 th International Conference on Multiphase Flows, ICMF 2010, pages 1-15, Tampa - Florida USA, [JCP] F. Doisneau, F. Laurent, A. Murrone, J. Dupays, and M. Massot. Eulerian Multi-Fluid models for the simulation of dynamics and coalescence of particles in solid propellant combustion. submitted to J. of Comp. Physics, [SMAI] F. Doisneau and F. Laurent. Linearized analytical solution of a bimodal coalescing spray – Comparison to Eulerian Multi-Fluid simulations. In 5e Biennale Française des Mathématiques Appliquées SMAI, [EUCASS] F. Doisneau, F. Laurent, J. Dupays, and M. Massot. Two-way coupled simulation of acoustic waves in polydispersed coalescing two-phase ows : application to Solid Rocket Motor instabilities. In 4th European Conference for Aerospace Sciences, [AIAA] F. Doisneau, A. Sibra, F. Laurent, J. Dupays, and M. Massot. Numerical strategy for two- way couplingin unsteady polydisperse moderately dense sprays. In 47th AIAA Joint Propulsion Conf., [INCA] F. Doisneau, J. Dupays, A. Murrone, F. Laurent, and M. Massot. Eulerian VS Lagrangian simulation of unsteady two- way coupled coalescing two-phase ows in solid propellant combustion. In 3rd INCA Colloquium, Toulouse - FRANCE,

30 Références I [1] J. Dupays. Contribution à létude du rôle de la phase condensée dans la stabilité dun propulseur à propergol solide pour lanceur spatial. PhD thesis, Institut National Polytechnique de Toulouse, [2] M. Simoes. Modélisation eulérienne de la phase dispersée dans les moteurs à propergol solide, avec prise en compte de la pression particulaire. PhD thesis, INP Toulouse, [3] M. Massot, F. Laurent, S. de Chaisemartin, L. Fréret, and D. Kah. Eulerian Multi-Fluid models: modeling and numerical methods. In Modelling and Computation of Nanoparticles in Fluid Flows, Lectures of the von Karman Institute. NATO RTO AVT 169, [4] F. Laurent, M. Massot, and P. Villedieu. Eulerian Multi-Fluid modeling for the numerical simulation of coalescence in polydisperse dense liquid spray, J. Comput. Phys., 194(2):505– 543, [5] G. Dufour. Modélisation Multi-Fluide eulérienne pour les écoulements diphasiques à inclusions dispersées. PhD thesis, Université Toulouse III, [6] F. X. DHerbigny and P. Villedieu. Etude expérimentale et numérique pour la validation dun modèle de coalescence. Technical Report RF1/05166 DMAE, ONERA, [7] G. Strang. On the construction and comparison of difference schemes. SIAM J. Num. Anal., 5: , [8]S. Descombes and M. Massot. Operator splitting for nonlinear reaction-diffusion systems with an entropic structure : singular perturbation and order reduction. Numer. Math., 97(4): ,

31 Références II [9] J. X. Qiu and C. W. Shu. On the construction, comparison, and local characteristic decomposition for high-order central WENO schemes. J. of Comp. Physics, 183: , [10] F. Bouchut, S. Jin, and X. Li. Numerical approximations of pressureless and isothermal gas dynamics. SIAM J. Num. Anal., 41: , [11] Hairer, E. and G. Wanner (1996). Solving ordinary differential equations. II. Berlin: Springer- Verlag. Stiff and differential-algebraic problems, second revised edition. 96, 97, 98, 99, 168, 169 [12] S. Temkin and R. Dobbins. Attenuation and dispersion of sound by particulate-relaxation processes. The Journal of the Acoustical Society of America, 40(2), [13] S. Ballereau, F. Godfroy, J.F. Guéry, and D. Ribereau. Assessment on analysis and prediction method applied on thrust oscillations of ariane 5 solid rocket motor. AIAA Paper , July In AIAA/ASME/SAE/ASEE 39th Joint Propulsion Conference and Exhibit, Huntsville, AL. [14] B. Graille, T. Magin, and M. Massot, Kinetic theory of plasmas : Translational energy. Mathematical Models and Methods in Applied Sciences,

32 Nanométrique I – Phénomènes physiques Etude bibliographique, problème de transversalité Nanotechnologies Mécanique, structures, microélectronique Mansouri 05 Nanotubes Sécurité Sprays Diffusion, agglomération Friedlander 00 Dépôt Ahmadi 09 Théorie cinétique Mouvement brownien : Einstein 1905, Cunningham 1910 Thermophorese : Waldman 66, Talbot 80 Colloïdes (agglomération) Potentiel Zeta : Hunter non adapté empirique lourd en solution

33 Nanométrique IV – Modèle fédérateur (HP) 33 Objectifs


Télécharger ppt "Modélisation et simulation découlements diphasiques chargés de particules polydispersées nanométriques dans les MPS à laide dune méthode eulérienne François."

Présentations similaires


Annonces Google