Numerical simulation of electrohydrodynamics of multiphase flows using smoothed particle hydrodynamics - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Numerical simulation of electrohydrodynamics of multiphase flows using smoothed particle hydrodynamics

Simulation numérique des écoulements électrohydrodynamiques multiphasiques

Résumé

Crude oil water content is the source of significant problems in petroleum industry. Efficient oil and gas transportation is therefore a major challenge that must be addressed by the energy sector in order to reduce the cost of energy transportation and protect installations from corrosion which lead to a reduction of the total carbon footprint of the industry. It is therefore crucial to consider new concepts to investigate separation of water droplets suspended in oil medium. External forces can be applied to improve the efficiency of the separation process. The interactions between this multi phase system and the electric and thermal fields are thus rising concerns. Hence, the aforementioned system must be modeled as multi-phase, multiphysics, and multi-scale system. The objective of this thesis is to examine the dynamics of suspended fluids from a fundamental physics point of view using the the most frequently used mesh-less numerical strategy in Computational Fluid Dynamics (CFD) literature, called smoothed particle hydrodynamics (SPH). The interaction between constituents of the multiphase system at the fluid-fluid interface as well as the effects of electrohydrodynamics (EHD) and thermocapilarity (TC) on the system need to be better clarified. Additionally, the multiscale nature of the spatial and temporal scales involved represents a numerical simulation challenge and requires particular treatment. This thesis aims to initiate a numericalunderstanding of the coupled EHD-TC phenomena by analysing the droplet dynamics in multiphysics applications and present step-by-step validation by increasing the problem difficulties. This thesis demonstrates that the SPH method could be a successful alternative approach as aleading-edge of numerical modelling to predict and control the dynamics of complex multiphase multi-physics problems. To accomplish this objective, a mathematical model is proposed and numerical solution is developed and validated using previous numerical, experimental and analytical solutions. A MPI-paralelised SPH solver and High Performance Computing (HPC) approach are selected to efficiently address computational aspects. Several physical phenomena are simulated including bubble rising, deformation and break-up. At the fluid-fluid interface, complex hydrodynamic interactions are mathematically described using the continuum surface force (CSF) method, in which the gradient of interfacial tension forces and the Marangoni forces, due to thermal gradient, are modeled. Thermocapillarity generates sufficiently large stress even in low Marangoni numbers that leads to droplet migration. Electrohydrodynamics phenomena influence the droplet morphology depending on the electric conductivity and electric permittivity of ratios of the dispersed phase and the continues phase. We showed that when these two physics are affecting the system simultaneously, the main parameters that characterise the deformation, migration and break-up of the dispersed phase are characteristics of the applied electric field and thermal gradient, the Marangoni number and the fluids parameters. It is found that coupling EHD-TC phenomena affects the multi-phase system and can be tuned to improve phase-separation process.
La quantité d'eau contenue dans le pétrole brut est à l'origine de problèmes importants dans l'industrie pétrolière. Le transport efficace du pétrole et du gaz est donc un défi majeur qui doit être relevé par le secteur de l'énergie afin de réduire le coût du transport de l'énergie et de protéger les installations de la corrosion, ce qui conduit à une réduction de l'empreinte carbone totale de l'industrie. Il est donc crucial d'envisager de nouveaux concepts pour étudier la séparation des gouttelettes d'eau en suspension dans un milieu pétrolier. Des forces externes peuvent être appliquées pour améliorer l'efficacité du processus de séparation. Les interactions entre ce système multiphasique et les champs électriques et thermiques sont donc des préoccupations croissantes. Par conséquent, le système susmentionné doit être modélisé comme un système multiphase, multiphysique et multi-échelle. L'objectif de cette thèse est d'examiner la dynamique des fluides en suspension d'un point de vue de physique fondamentale en utilisant la stratégie numérique sans maillage la plus fréquemment utilisée dans la littérature sur la dynamique des fluides numériques (CFD), appelée hydrodynamique particulaire lissée (SPH). L'interaction entre les constituants du système multiphase à l'interface fluide-fluide ainsi que les effets de l'électrohydrodynamique (EHD) et de la thermocapilarité (TC) sur le système doivent être mieux clarifiés. De plus, la nature multi-échelle des échelles spatiales et temporelles impliquées représente un défi de simulation numérique et nécessite un traitement particulier. Cette thèse a pour but d'initier une compréhension numérique des phénomènes couplés EHD-TC en analysant la dynamique des gouttelettes dans des applications multiphysiques et de présenter une validation étape par étape en augmentant les difficultés du problème. Cette thèse démontre que la méthode SPH pourrait être une approche alternative réussie en tant que pointe de la modélisation numérique pour prédire et contrôler la dynamique de problèmes multi-physiques complexes. Pour atteindre cet objectif, un modèle mathématique est proposé et une solution numérique est développée et validée en utilisant des solutions numériques, expérimentales et analytiques précédentes. Un solveur SPH parallélisé par MPI et une approche de calcul haute performance (HPC) sont sélectionnés pour traiter efficacement les aspects de calcul. Plusieurs phénomènes physiques sont simulés, notamment la montée, la déformation et la rupture des bulles. À l'interface fluide-fluide, des interactions hydrodynamiques complexes sont décrites mathématiquement à l'aide de la méthode de la force de surface continue (CSF), dans laquelle le gradient des forces de tension interfaciale et les forces de Marangoni, dues au gradient thermique, sont modélisés. La thermocapillarité génère une contrainte suffisamment importante, même pour des nombres de Marangoni faibles, qui conduit à la migration des gouttelettes. Les phénomènes EHD influencent la morphologie des gouttelettes en fonction de la conductivité électrique et de la permittivité électrique des rapports de la phase dispersée et de la phase continue. Nous avons montré que lorsque ces deux physiques affectent le système simultanément, les principaux paramètres qui caractérisent la déformation, la migration et la rupture de la phase dispersée sont les caractéristiques du champ électrique appliqué et du gradient thermique, le nombre de Marangoni et les paramètres des fluides. Il s'avère que le couplage des phénomènes EHD-TC affecte le système multiphasique et peut être réglé pour améliorer le processus de séparation des phases.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03977776 , version 1 (07-02-2023)

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  • HAL Id : tel-03977776 , version 1

Citer

Fatemeh Almasi. Numerical simulation of electrohydrodynamics of multiphase flows using smoothed particle hydrodynamics. Fluids mechanics [physics.class-ph]. Normandie Université, 2022. English. ⟨NNT : 2022NORMIR12⟩. ⟨tel-03977776⟩
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