Analyse de la rupture des gouttes par simulation numérique directe – DropBreak

Le projet DropBreak utilise la simulation numérique directe des écoulements diphasiques. Le code maison ARCHER, étant une référence dans le domaine, est utilisé.

Une large base de données est réalisée et analysée à l'aide d'un outil de postraitement avancé.

Un doctorant a plein temps développe le projet.

Une première version de la base de données a été réalisée avec 212 réalisations de rupture était donc prête à l’automne 2022. Deux aspects ont porté notre attention sur cette base de données. Tout d’abord, l’analyse des oscillations préalables à la rupture, et en second temps, l’analyse des derniers instants avant la rupture (voir figure).

Pour analyser les oscillations, nous avons développé un code une permettant de décomposer la surface de la goutte en harmoniques sphériques. En effet, en comparaison à l’analyse multi-échelle, cette approche permet de suivre les petites déformations. Afin de comprendre le lien entre ces déformation, forcées par la turbulence, et les oscillations des gouttes, une série de simulations supplémentaire a été réalisée. Un rapport technique présentant la méthode numérique et un article présentant les résultats de l'analyse ont été publiés (?hal-04004128? et ?hal-04109804? respectivement).

Pour l’analyse de la rupture final, on a utilisé des paramètres morphologiques. On a ainsi étudié comment ces paramètres évoluent avant la rupture, permettant ainsi de différencier entre les déformations préalables et celles menant à la rupture finale. Un article à ce propos a été publié également (?hal-04408853?).

Les deux publications précédentes montrent le besoin de l'utilisation de l'analyse multi-échelle, basé sur les les fonctionnels de Minkowski. L'analyse de notre base de données en utilisant cet outil est aussi en cours. L’avantage de cette méthode est que, contrairement à l’analyse par harmoniques sphériques, elle peut s’appliquer pour des gouttes très déformées (et notamment avant la rupture) et que contrairement aux paramètres morphologiques, elle permet d'évaluer les différentes longueurs liées à la rupture : rayon du pont capillaire et rayon des deux futures gouttes.

Les deux points précédents donnent lieu aux deux développements en cours.

Tout d’abord, le développement d’une théorie linéaire adaptée à notre problème est en cours de développement. Celle-ci permettra de mieux comprendre les oscillations observées durant l’interaction entre la turbulence et la goutte (couplage entre modes, dissipation associée, etc.). Un article est en cours de préparation.

L’implémentation des deux approches (harmoniques sphériques et fonctionnels de Minkowski) dans le même logiciel va permettre de mettre les deux en libre accès au même temps.

Finalement, pour la fin de la thèse on envisage l’application à de modèles du type rupture secondaire.

Ignacio Roa, Marie-Charlotte Renoult, Jorge César Brändle de Motta, Christophe Dumouchel. Droplet oscillations in a turbulent flow. Frontiers in Physics, 2023, 11, pp.1173521.?hal-04109804?

Camille Deberne, Victor Chéron, Alexandre Poux, Jorge César Brändle de Motta. Breakup prediction of oscillating droplets under turbulent flow. International Journal of Multiphase Flow, 2024, 173, pp.104731. ?hal-04408853?

De nombreux procédés industriels sont concernés par l'atomisation, en particulier dans les transports. De nature multi-échelle, ce processus fait apparaître des structures liquides de forme variée et de taille allant du micromètre au centimètre. L'atomisation est souvent divisée en atomisation primaire, près de l'injecteur, et secondaire, loin de l'injecteur. Durant cette seconde étape la turbulence joue un rôle important dans la rupture des gouttes, créant ainsi des gouttes de taille inférieure. Prédire l'évolution temporelle des tailles de goutte durant l'atomisation secondaire est essentiel pour maîtriser ces procédés.

Le but de ce projet est d'étudier de manière systématique l'évolution et la rupture des gouttes évoluant dans un milieu gazeux turbulent en utilisant la simulation numérique directe.

Pour ce faire, une base de données d'accès libre sera créée. Celle-ci contiendra l'évolution temporelle de milliers de gouttes. Des réalisations différentes seront faites avec un grand nombre de paramètres physiques liées aux fluides concernés (densité, viscosité, tension de surface) ainsi qu'aux conditions spécifiques de l'écoulement (turbulence environnante, taille de la goutte). Cela permettra l'analyse de l'évolution des gouttes jusqu'à leurs ruptures. L'analyse de cette base de données permettra donc d'affiner notre compréhension de la rupture secondaire. Nous nous concentrerons sur le couplage entre l'interface, la turbulence environnante et l'écoulement interne de la goutte dans le but d'améliorer les modèles de rupture secondaire (SBM). L'évolution de la surface des gouttes sera aussi analysée en s'appuyant sur la théorie de la stabilité. L'approche multi-échelle sera également mise à contribution dans l'étude des gouttes. Cette méthodologie est complètement innovatrice et fournira à la communauté un nouveau modèle de rupture qui augmentera la prédictibilité des simulations actuelles. Des simulations seront réalisées en fin de projet pour montrer le potentiel du nouveau modèle.

Un étudiant en doctorat sera embauché dans ce projet et des ressources numériques seront demandées au GENCI. Une politique de diffusion est aussi associée pour garantir l'accessibilité des résultats au public spécialisé mais aussi afin de vulgariser les résultats obtenus.