Numerical development of Moment of Fluid / Level Set method and Application to liquid jet and sheet atomization

Développement numérique d'une méthode Moment of Fluid/ Level Set. Application à l'atomisation de jet et nappe liquides Avec l'intensification du trafic aérien, il est devenu nécessaire de concevoir des moteurs économes en carburant pour les vols longs et ultra-long-courriers. Avec l'augmentation de la puissance de calcul et les avancées des méthodes de calcul en dynamique des fluides (CFD), les simulations numériques sont essentielles pour étudier les processus physiques mis en jeu dans les moteurs d'avion. Parmi ces nombreux processus, l'atomisation du carburant liquide reste d'une très grande importance. En effet il détermine la taille des gouttelettes de carburant, et il a une influence directe sur le taux d'évaporation, l'optimisation de la combustion ainsi que sur la formation de polluants. Cependant, en raison de l'aspect multi-échelle, multi-physique et multiphasique de ce processus, il reste complexe de le simuler numériquement. En particulier, les simulations se heurtent à une limitation de la résolution lors de la capture des gouttelettes. Afin de repousser cette limitation, ce travail présente deux méthodes numériques de reconstruction de l'interface liquide/gaz pour capturer les gouttelettes de liquide : la méthode Moment Of Fluid (MOF) et une méthode Hybrid Moment Of Fluid-Level Set (HyMOFLS). La méthode MOF utilise la fraction de volume liquide ainsi que leur centroïde en phase liquide et gazeuse pour la reconstruction de l'interface dans chaque cellule. L'avantage de l'utilisation des centroïdes de phase est que les données des cellules voisines ne sont pas nécessaires dans le processus de reconstruction de l'interface, ce qui permet un traitement uniforme de toutes les cellules dans le domaine du calcul. De plus, la rupture numérique de structures sous-résolues est prise en compte, ce qui n'est pas le cas avec la méthode CLSVOF. La méthode HyMOFLS associe la méthode MOF et la méthode CLSVOF; la méthode MOF est utilisée dans les régions sous-résolues et la méthode CLSVOF pour les régions résolues de l'interface. Le passage entre ces méthodes se fait en fonction de la taille de mailles et de la courbure de l'interface. Cette méthode propose un compromis entre la précision de la reconstruction et le coût de calcul par rapport à la méthode MOF seule. Après de nombreuses validations, cette méthode est utilisée pour simuler deux configurations d'injection utilisées dans les moteurs d'avion dans des conditions de fonctionnement appropriées. Tout d'abord, une configuration d'atomisation d'un film plan (Airblast) est simulée pour différentes tailles de mailles et différents profils de vitesse d'entrée afin d'analyser leur influence sur l'atomisation, en particulier sur les caractéristiques des gouttelettes et des ligaments. On observe que les simulations se comparent de manière satisfaisante aux expériences et sont quantitativement du même ordre de grandeur que les données expérimentales. Ensuite, l'atomisation primaire d'un jet liquide turbulent dans une configuration Crossow est simulée pour trois rapports de masses volumiques différents (faible, modéré et élevé) et en utilisant trois tailles de mailles différentes. Les analyses des résultats ont montré une faible probabilité d'atomisation secondaire due aux forces aérodynamiques, ainsi qu'une diminution de la flexion et de la pénétration du jet avec l'augmentation du rapport de masse volumique, et enfin une diminution suivie d'une augmentation de la longueur d'onde des perturbations formées sur le dessus du jet liquide avec la croissance du rapport des masse volumique.