Ecoulements multiphasiques

Modélisation ALE avec le code EUROPLEXUS (CEA) de l’expérience MARA 02 - Détente d’une bulle en surpression : (a) déformation plastique (b) champ de densité de l'écoulement interne

Le problème des écoulements multiphasiques est particulièrement crucial pour différentes applications des secteurs industriels de la défense et de l'énergie : explosions sous-marines, chambres de combustion de moteurs aérospatiaux pour le secteur de la défense, cavitation, dépressurisation accidentelle, chocs thermiques avec vaporisation pour le secteur de l’énergie.

Modélisation des écoulements multiphasiques

L’approche de modélisation retenue à IMSIA pour traiter les écoulements compressibles multiphasiques avec transition de phase est celle des interfaces diffuses qui consiste à traiter les interfaces entre les composantes fluides comme des zones de mélange diffusées numériquement, associées à des techniques de discrétisation de type volumes finis et des schémas numériques de type HLLC pour résoudre les équations du fluide écrites sous forme conservative. Les modèles incluent les effets de transfert de chaleur et de masse, qui sont décrits par des termes de relaxation des températures et des potentiels chimiques, respectivement. Le degré de complexité entre tous les modèles envisageables se définit en fonction de la prise en compte des différents déséquilibres : mécanique, thermique, cinétique et thermodynamique. Cette approche conduit ainsi à des systèmes à 4, 5, 6 ou 7 équations selon le degré de complexité retenu.

Simulation d’une explosion sous-marine à proximité d’une paroi rigide réalisée avec un modèle numérique d’écoulement triphasique

Interactions entre écoulements multiphasiques et structures déformables

Modélisation ALE avec le code EUROPLEXUS (CEA) d'une expérience de dépressurisation d’un réacteur industriel

Dans certaines situations de fonctionnement ou accidentelles des circuits des centrales de production d'électricité, des ondes de pression peuvent être générées au sein d'écoulements potentiellement diphasiques. Ces ondes de pression induisent des chargements mécaniques sur les structures déformables environnantes dont il est parfois nécessaire d'étudier la tenue mécanique pour des raisons de sûreté des installations industrielles. D'autre part, les déformations des structures influent en rétroaction sur la propagation des ondes de pression au sein du fluide. La modélisation des écoulements diphasiques en interaction avec des structures déformables est ainsi nécessaire pour représenter les couplages mis en jeu dans ces situations.

Ecoulements compressibles à bas nombre de Mach

Dans les écoulements multiphasiques, la célérité du son et donc le nombre de Mach sont hautement variables nécessitant de pouvoir traiter des zones de calcul avec des nombres de Mach très différents. Par ailleurs, les écoulements en eau dans les tuyauteries sont caractérisés par de faibles vitesses. Or, des ondes de choc, appelés aussi coups de bélier, peuvent se produire au sein de ces derniers, nécessitant ainsi la prise en compte de la compressibilité de ces écoulements malgré les très faibles nombres de Mach mis en jeu.

Simulation avec le code EUROPLEXUS (CEA) d’un écoulement bas-Mach sur le cas test discriminant du « bump »

Collaborateurs

IMSIA : Frédéric Daude, Philippe Lafon, Marica Pelanti

CMAP : Marc Massot

National Taiwan University : Keh-Ming Shyue