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Thèse Année : 2014

Integral modeling of liquid films sheared by a gas flow

Modélisation intégrale des films liquides cisaillés

Résumé

Liquid films sheared by a gas flow are encountered in many industrial devices and aerospace applications, such as heat exchangers and distillation columns, as well as airplane turbines and rocket motors. Owing to pressure gradient and shear stress exerted by the gas, unstable waves can develop at the interface, with relevant consequences on liquid-gas exchanges, like heat and mass transfers. In general, the thinness of the liquid layer suggests that the film can be studied through depth-integrated equations, with the benefit to greatly reduce the computational cost. Hence, the aim of the present work consists in developing a coupling methodology between depth-integrated equations and Navier-Stokes equations accounting for liquid and gas phases respectively, in order to describe the instabilities of liquid films sheared by a gas flow in confined and large channels. This approach answers the needs of ONERA in creating a coupling technique to be later extended to the CEDRE platform. In a first step, the reduced model for the liquid phase is developed by integrating the boundary-layer equations over the film thickness. The gas flow is treated instead with compressible Navier-Stokes equations, and a low-Mach scheme allows to discretize these equations in the developed finite-volume computational technique. Finally, the coupling between the two layers is assured by the continuity of interfacial velocities and stresses, as well as by the transfer of the interface position. In conclusion, the performed computational analysis is validated for the configurations of a strictly confined channel and a large channel: film thickness and interfacial stress evolutions are compared with those provided by the DNS.
Les films liquides cisaillés par un écoulement gazeux sont rencontrés dans de nombreuses configurations industrielles, telles que les échangeurs de chaleur et les colonnes de distillation, ainsi que les turbines d’avion ou les moteurs de fusée. L’interaction du film avec le gaz modifie le comportement du film et peut conduire au développement d’instabilités à l’interface. La présence de ces instabilités a de fortes conséquences sur les échanges liquidegaz, notamment les transferts de masse et de chaleur. La faible épaisseur de la couche liquide suggère que le film peut être étudié à travers des équations intégrées sur la hauteur (équations de Saint-Venant), avec l’avantage de réduire considérablement le coût de calcul. Par conséquence, l’objectif de cette thèse est de développer une méthodologie de couplage entre les équations de Saint-Venant pour la phase liquide et les équations de Navier- Stokes pour le gaz, afin de décrire les instabilités des films cisaillés dans des conduites confinées et larges. Cette approche répond aux besoins de l’ONERA de développer une technique de couplage qui sera étendue plus tard au code de calcul industriel CEDRE. Dans un première temps, un système consistent des équations de Saint-Venant a été établi pour la phase liquide. En revanche, le gaz est traité avec des équations de Navier- Stokes compressibles, en utilisant un schéma bas-Mach pour discrétiser ces équations. Enfin, le couplage entre les deux couches est assuré par la continuité des vitesses et des contraintes à l’interface, ainsi que par le transfert de la position de l’interface. En conclusion, cette technique a été validée dans deux configurations de conduites confinées et larges : l’épaisseur du film et les contraintes à l’interface ont été comparées avec celles fournies par la DNS.
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Dates et versions

tel-01139899 , version 1 (07-04-2015)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01139899 , version 1

Citer

Gianluca Lavalle. Integral modeling of liquid films sheared by a gas flow. Fluids mechanics [physics.class-ph]. ISAE - Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace, 2014. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01139899⟩

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