Modeling and numerical simulation of liquid thin films with partial wetting effects
Modélisation et simulation numérique d'écoulements de films minces avec effet de mouillage partiel
Résumé
The ice accretion on surfaces encountered in aeronautics (wings, nacelle lips, sensors, ...) is considered as a major risk for aviation safety. The consequences observed are the degradation of the aero-dynamic performances that can lead to the aircraft stall, disturbances in the engines that can lead to flame out or clogging of the sensors. That is why aircraft manufacturers are developing thermal protection systems against icing. The water accumulated on the surfaces thus remains in the liquid state and forms a thin film. The dynamic properties (thickness, velocity and spreading) and thermal properties (temperature, evaporation rate) of the film in the presence of a sheared air flow make it possible a potential refreezing of the water film on unprotected surfaces ("runback ice" phenomena). Since flight or wind tunnel tests are generally expensive and difficult to set up, numerical simulation has become an effective and complementary tool to design these systems. The main purpose of this thesis is to develop a model integrated in a numerical tool to predict the transport of liquid water on a surface which might take the form of a film, a rivulet or a droplet. An integral approach based on a shallow water type model is adopted. It makes it possible to describe the macroscopic dynamics of a three-dimensional liquid film on realistic configurations and within reasonable computing times compared to a full Navier-Stokes computation. An extended formulation is proposed, it corresponds to a second order differential system and thus allows to use arbitrary surface meshes. Contrary to models available in the literature, the one proposed in this manuscript has the advantage of taking into account capillary and wetting phenomena without validity limit in term of static contact angle. An energy conservation equation ensuring the thermodynamic consistency of the calculated solutions is derived from the extended model governing fluid dynamics. A Finite Volume dis-cretization of the system is proposed. Numerical simulations validate the model for both static and dynamic academical wetting configurations. The transition of a continuous film into rivulets is also simulated.
L'accrétion de givre sur les surfaces rencontrées en aéronautique (ailes, entrées d’air moteur, sonde, …) est considérée comme un risque majeur pour la sécurité aérienne. Les conséquences observées sont la dégradation des performances aérodynamiques pouvant conduire au décrochage, des perturbations dans les moteurs pouvant aller jusqu’à son extinction ou le colmatage des sondes. C'est pourquoi les avionneurs développent des systèmes de protection thermiques contre le givre. L’eau accumulée sur les surfaces reste ainsi à l’état liquide et forme un film mince. Les propriétés dynamiques (hauteur, vitesse et étalement) et thermiques (température, taux d’évaporation) du film en présence d’un écoulement d’air cisaillé permettent de prédire un éventuel regel du film d’eau en dehors des zones protégées (« runback ice »). Comme les essais en vols ou en soufflerie sont souvent complexes à mettre en oeuvre et onéreux, la simulation numérique est devenue un outil efficace et complémentaire pour dimensionner ces systèmes.
L’objet principal de cette thèse est le développement de modèles intégrés dans un outil numérique permettant de prédire le transport d’eau liquide sur une surface sous forme de film ou de ruisselets ou de gouttes. Une approche intégrale de type Saint Venant est adoptée ce qui permet de décrire la dynamique macroscopique d’un film 3D pour des configurations et des temps de calcul raisonnables par rapport à un calcul DNS. Une formulation augmentée du second ordre en espace pour le traitement des termes de courbure est proposée, ce qui autorise l’utilisation de maillages surfaciques non structurés généraux. Contrairement aux modèles disponibles dans la littérature, celui proposé dans ce manuscrit présente l'avantage de tenir compte des phénomènes capillaires et de mouillage sans limite de validité en termes d'angle de contact statique. Une équation de conservation de l’énergie garantissant la consistance thermodynamique des solutions calculées est dérivée du système augmenté régissant la dynamique du fluide. Une discrétisation de type Volumes Finis du système d'équation est proposée. Des simulations numériques valident le modèle pour des configurations académiques de mouillage statiques et dynamiques. La transition d’un film continu en ruisselets est également simulée.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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