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Instabilities of fluid interfaces in microgravity under sudden or periodic change of acceleration
No full textL'étude du comportement d'un fluide proche de son point critique et soumis à des vibrations ou une variation rapide de gravité/acceleration est un sujet extrêmement intéressant. Les phénomènes physiques impliqués sont d'un grand intérêt non seulement pour la physique fondamentale mais aussi pour l'industrie spatiale. Dans cette thèse, trois problèmes sont principalement trait&s: (i) Etude de l'interaction de vibrations harmoniques avec une couche limite thermique dans un fluide supercritique en absence de gravité, (ii) Etude de l'interaction de vibrations avec une interface liquide/vapeur d'un fluide sous−critique sous plusieurs niveaux de gravité (les instabilités de Faraday et d'onde gelée, l'équilibre dynamique d'une interface) et (iii) Etude du phénomène de geyser à l'intérieur d'un réservoir partiellement rempli d'oxygène lorsqu'il est soumis à une variation rapide de la gravité (ou accélération). La thèse comporte une partie expérimentale et une partie numérique. Des expériences ont été réalisées sur les installations HYLDE et OLGA du CEA Grenoble utilisant respectivement les fluides H2 et O2 dans la zone sous−critique. Des simulations numériques sont réalisées pour étudier la stabilité d'une couche limite thermique et la dynamique d'une interface fluide soumise à une variation rapide de la gravité en utilisant des codes numériques basées sur le méthode volumes finis utilisant les algorithmes SIMPLER et VOF−PLIC respectivement. Plusieurs résultats intéressants ont été obtenus. Différents phénomènes ont été étudiés et quantifiés, comme l'instabilité de Faraday et l'instabilité d'onde gelée dans le domaine sous−critique et l'instabilité parametrique et l'instabilité Rayleigh−vibrationnelle dans le domaine supercritique. Les expériences ont permis de bien comprendre les raisons de la transition de l'instabilité de Faraday vers une structuration en bandes verticales très près du point critique. Les expériences et les simulations numériques sur le phénomène de geyser ont aidé à développer des corrélations empiriques pour les vitesses de la bulle et du geyser en prenant en compte les effets des parois.The behavior of a near-critical fluid subjected to vibration or a rapid variation of acceleration is an extremely interesting topic of research. The resulting physical phenomena are of great interest in view of the fundamental physics involved and have great relevance to the space industry. The thesis addresses mainly three problems: (i) study of the interaction of harmonic vibration with a thermal boundary layer of a supercritical fluid under the absence of gravity, (ii) study of the inter- action of vibration with the liquid−vapor interface of a near−critical fluid under various gravity levels (Faraday and frozen wave instabili- ties, dynamic equilibrium of the interface) (iii) study of the geysering phenomenon inside a reservoir partially filled with a liquid when it is subjected to a rapid variation of gravity. Experiments are conducted onboard the zero−g installations HYLDE and OLGA developed by CEA Grenoble using H2 and O2 as the work- ing fluids. Numerical simulations are carried out using finite volume codes based on SIMPLER (for the problem involving the supercriti- cal fluid) and VOF−PLIC (for the interface dynamics problem under rapid variation of gravity). New and interesting results have been obtained. Various phenom- ena like the Faraday instability and the frozen wave instability in the sub−critical region and the parametric instability and the Rayleigh−vibrational instability in the supercritical region have been quantified. The experiments have successfully explained the reason behind the transition of the Faraday instability into vertical band pattern very close to the critical point. Experiments and numerical simulation of the geysering phenomenon have helped to evolve empir- ical correlations for the bubble rise and geyser edge velocities taking into account the effect of walls on these velocities
Numerical modelling of highly compressible near-critical fluids
No full textUn fluide porté à une température et pression supérieures à celles du point critique est communément appelé fluide supercritique. Ce fluide possède des propriétés particulièrement intéressantes à cheval entre celles des gaz et celle des liquides. En effet, la masse volumique d’un fluide supercritique est proche de celle d’un liquide tandis que sa viscosité est proche de celle d’un gaz. Une des caractéristiques particulières de ces fluides quand ils s’approchent du point critique est que plusieurs des propriétés thermo-physiques montrent un comportement singulier (compressibilité divergente, diffusivité thermique évanescente etc). Dans ce travail, un modèle mathématique basé sur les équations de Navier-Stokes couplées à celle de l’énergie est proposé afin d’étudier les écoulements de ces fluides très proches de leur point critique. La validation du modèle a été effectuée sur un problème de propagation d’onde acoustique dans l'eau. Nous avons ainsi observé que des solutions précises avec des schémas implicites pour des systèmes non linéaires sont possibles avec des nombres de Courant élevés. L’étude des écoulements dans des fluides supercritiques, lorsqu'ils sont assujettis à une trempe thermique et à une vibration simultanées ont montré que de telles conditions pouvaient conduire à la formation d’instabilités thermo-vibrationnelles, en particulier les instabilités de Rayleigh-vibrationnelles et paramétriques. Les simulations numériques nous ont permis de relever deux phénomènes particulièrement surprenants : (i) la température du fluide à l’intérieur du domaine devient inférieure à la trempe de température imposée à la frontière et (ii) une oscillation des doigts d’instabilité apparaît dans la couche limite thermique dans la direction de la vibration. Dans le cas des fluides sous le point critique (cas diphasique), le modèle compressible développé est couplé à un de champ de phase (“phase field”) dans les conditions isothermes. Des cas tests élémentaires ont été considérés avec succès. Une discussion est proposée afin d’étendre le modèle dans le cas d’une transition continue du régime supercritique au régime sous-critique et vice-versa.A fluid, in addition to its liquid and gas phase, is known to exist in another phase, wherein the fluid inherits some properties of both the phases. Such a fluid is called a supercritical fluid and the conditions (pressure and temperature) beyond which the fluid exists in this state is called the critical point. One of the peculiar feature of the fluids near the critical point is that the various thermo-physical properties show a singular behavior, such as diverging compressibility, vanishing thermal diffusivity etc. The flow behavior near the critical point leads to intriguing flow features ascribed to the strong thermo-mechanical coupling whose in-depth investigation can be limited by experimental constraints especially during a continuous transition from supercritical to subcritical regime. The current work focuses on analyzing the flow behavior in near-critical fluids with prime focus on supercritical fluids. This is achieved by developing a mathematical and numerical model which is followed by the validation study and error analysis of the numerical scheme wherein unusual behavior of the Courant number is observed. Subsequently, the flow behavior of supercritical fluid is studied when simultaneously subjected to thermal quench and vibration, mainly Rayleigh-vibrational and parametric instabilities, their physical mechanism and various parameters affecting them. In addition, two captivating phenomena, firstly where the temperature of the fluid region drops below the imposed boundary condition and secondly, the see-saw motion of the thermal boundary layer are observed and physical explanations are provided. In order to investigate the flow dynamics in subcritical regime, phase-field modelling approach is explored for isothermal conditions. The model is examined for elementary test cases illustrating the feasibility to extend the model for a continuous transition from supercritical to subcritical regime
IMA11—interfacial fluid dynamics
Full text linkThis special issue presents recent advances on interfacial fluid dynamics, in link with the 11th conference of the International Marangoni Association organized in Bordeaux, France, on June 2023
Simulation numérique en mécanique des fluides. Tome 1, Principes de base et mise en oeuvre de la méthode des volumes finis en CFD
No full textInternational audienceL’objectif de cet ouvrage est de décrire les fondements théoriques de la méthode des volumes finis qui est aujourd’hui reconnue, à bien des égards, comme étant la méthode de choix pour la simulation numérique en mécanique des fluides. Il s’adresse principalement aux étudiants de master ou d’écoles d’ingénieurs qui souhaitent s’initier aux principes de la simulation numérique en mécanique des fluides basée sur la méthode des volumes finis. Après une introduction sur l’essor et les enjeux de la simulation numérique, les équations de conservation en mécanique des fluides sont rappelées. L’ouvrage introduit ensuite les concepts de base de la méthode des volumes finis et aborde la notion de maillage (maillage structuré, multibloc, non-structuré, non-conforme,…). L’équation de transport d’une quantité scalaire est utilisée comme équation modèle et la discrétisation de chacun de ses termes (terme temporel, terme diffusif, terme convectif et terme source ou puits) est détaillée. Une attention particulière est portée sur les notions fondamentales comme l’ordre de précision, la stabilité et la convergence des schémas numériques. La discrétisation des équations de Navier-Stokes incompressibles en variables primitives est ensuite abordée en détail. Un chapitre spécifique est consacré à l’implémentation des différents types de conditions aux limites. Ce Tome 1, résolument axé sur la mise en œuvre pratique de la méthode des volumes finis dans des géométries simples, est une introduction très didactique qui ouvrira le lecteur à des concepts plus avancés développés dans le Tome 2
On mastery of sealing by piston rings in a gas turbine
No full textAu sein des parties statiques d’une turbine à gaz, l’étanchéité du système d’air derefroidissement est couramment assurée par un montage de segments. De par sa rigiditéélevée, ce type de joint s’adapte mal aux pièces avec lesquelles il entre en contact. Uneméthodologie, associant métrologie et calcul éléments finis, a effectivement montré quel’ouverture, à l’interface entre un segment et sa piste, est très supérieure à celle qui caractériseun contact simplement rugueux. Une analyse en ordres de grandeur a révélé que lesmécanismes d’écoulement du gaz, sur un champ d’ouverture typique de l’interface entre la pisteet le segment, sont conditionnés par deux nombres adimensionnels. Trois régimes peuvent êtredistingués en fonction des valeurs prises par ces nombres. L’un d’eux, le régime laminairecompressible inertiel, est particulièrement intéressant car il est présent dans les zones de laturbine où l’étanchéité est cruciale. Un modèle quasi analytique a été développé pour décrire cerégime. En l’associant à un modèle de déformation, on aboutit à un outil prédictif du débit degaz induit par un segment. Des essais sur banc partiel ont permis de le valider et de démontrersa précision. L’outil développé fournit le moyen de quantifier l’impact du champ de température,du champ de pression et des écarts géométriques, propres à un stator de turbine, sur lesperformances de l’étanchéité. Ce travail a débouché sur des règles de dimensionnement et deconception qui portent notamment sur l’obturation du jeu inter-extrémités, sur le choix dunombre de segments et du sens de serrage.The sealing of gas turbine static parts is usually performed using piston rings.Because of its high stiffness, this type of gasket does not adapt itself to the parts with which it isdue to be in contact. A method involving metrology and a FEM actually revealed that the ringboreor ring-piston contact aperture is far larger than the one within a rough contact. Using ascale analysis, we showed that gas flow mechanisms, through the aperture field of the contactbetween the ring and the inner or outer part (i.e. the piston or the bore), depend on twodimensionless numbers. Three regimes can be distinguished depending on the values of thesenumbers. One of them, the compressible inertial laminar regime, is of particular interestbecause of its relevance in turbine areas where sealing is strongly critical. A quasi analyticalmodel was developed to describe this regime. By a coupling with a strain model, it wasupgraded to a predictive tool of leakage through a piston-ring or bore-ring contact. Acomparison with measurements carried out on a partial test rig allowed to prove its accuracy.This tool made it possible to quantify the influence of temperature field, pressure field andgeometrical defects, which are typical of a turbine stator, on sealing performance. This worklead us to propose design rules concerning, in particular, the ring gap type, number of rings tobe mounted and choice of tightening direction
Non-equilibrium electrophoresis of ion-selective microparticle
No full textLes travaux de cette thèse sont consacrés à l'étude théorique et numérique du mouvement d'une particule sphérique sélective en cations dans un électrolyte sous l'action d'un champ électrique externe d'intensités diverses. La région externe de l'électrolyte n'est pas limitée, par conséquent, l'influence des parois n'est pas prise en compte.Les principaux résultats suivants ont été obtenus dans ces travaux:1. Les solutions asymptotique et numérique du problème de l'électrophorèse dans un champ électrique d'intensité faible.2. Dans le cas limite d'une faible intensité de champ électrique, la dépendance de la vitesse électrophorétique de l'intensité du champ électrique est établie, ce qui est une généralisation de la formule de Helmholtz-Smoluchowski pour une particule diélectrique (condition d'équilibre) à une particule sélective d'ions (condition de non-équilibre).3. Une solution analytique du problème est obtenue dans le cas limite d'un champ électrique de forte intensité dans chacune des couches limites minces (double couche de Debye, zone de charge d’espace et la couche de diffusion).4. L'émergence d'une instabilité électrocinétique dans la région du flux entrant de cations a été trouvée. Un scénario de transition de flux d'un régime régulier à chaotique est obtenu.Aussi bien la compréhension de la dépendance de la vitesse des particules au champ électrique que le phénomène d'instabilité électrocinétique dans la région de charge sont d'une importance pratique. Ces études peuvent être utilisées, par exemple, pour créer de nouveaux dispositifs microfluidiques pour mélanger des liquides à la micro-échelle et pour évaluer l'efficacité de l'utilisation de l'instabilité électrocinétique dans la création et l'utilisation de tels dispositifs.The work is devoted to the theoretical and numerical study of the motion of a spherical cation-selective particle in an electrolyte under the action of an external electric field of various strengths. The outer electrolyte region is not limited, so the problem is completely free from the possible influence of the walls.The following main results were obtained in the work:1. Asymptotic and numerical solution of the electrophoresis problem in a weak electric field.2. In the limiting case of the weak electric field, the dependence of the electrophoretic velocity on the electric field strength is derived, which is a generalization of the Helmholtz-Smoluchowski formula for a dielectric particle (an equilibrium process) to the ion-selective particle (non-equilibrium process).3. An analytical expansion of the problem is obtained for the limiting case of a strong electric field in each of the thin boundary layers (electric double layer, space charge region and diffusion layer).4. The emergence of electrokinetic instability in the region of the incoming cations flux was found. A scenario of the flow transition from regular to chaotic is obtained.Both the understanding of the dependence of the particle velocity on the electric field strength and the discovered phenomenon of electrokinetic instability of the space charge region are of practical importance. The electrokinetic instability can be used to create new microfluidic devices for mixing liquids on a micro-scale and for evaluating the efficiency of using electrokinetic instability in the creation of such devices
IMA11—interfacial fluid dynamics
No full textThis special issue presents recent advances on interfacial fluid dynamics, in link with the 11th conference of the International Marangoni Association organized in Bordeaux, France, on June 2023
Simulation numérique en mécanique des fluides. Tome 1, Principes de base et mise en oeuvre de la méthode des volumes finis en CFD
No full textInternational audienceL’objectif de cet ouvrage est de décrire les fondements théoriques de la méthode des volumes finis qui est aujourd’hui reconnue, à bien des égards, comme étant la méthode de choix pour la simulation numérique en mécanique des fluides. Il s’adresse principalement aux étudiants de master ou d’écoles d’ingénieurs qui souhaitent s’initier aux principes de la simulation numérique en mécanique des fluides basée sur la méthode des volumes finis. Après une introduction sur l’essor et les enjeux de la simulation numérique, les équations de conservation en mécanique des fluides sont rappelées. L’ouvrage introduit ensuite les concepts de base de la méthode des volumes finis et aborde la notion de maillage (maillage structuré, multibloc, non-structuré, non-conforme,…). L’équation de transport d’une quantité scalaire est utilisée comme équation modèle et la discrétisation de chacun de ses termes (terme temporel, terme diffusif, terme convectif et terme source ou puits) est détaillée. Une attention particulière est portée sur les notions fondamentales comme l’ordre de précision, la stabilité et la convergence des schémas numériques. La discrétisation des équations de Navier-Stokes incompressibles en variables primitives est ensuite abordée en détail. Un chapitre spécifique est consacré à l’implémentation des différents types de conditions aux limites. Ce Tome 1, résolument axé sur la mise en œuvre pratique de la méthode des volumes finis dans des géométries simples, est une introduction très didactique qui ouvrira le lecteur à des concepts plus avancés développés dans le Tome 2
Simulation numérique en mécanique des fluides. Tome 1, Principes de base et mise en oeuvre de la méthode des volumes finis en CFD
No full textInternational audienceL’objectif de cet ouvrage est de décrire les fondements théoriques de la méthode des volumes finis qui est aujourd’hui reconnue, à bien des égards, comme étant la méthode de choix pour la simulation numérique en mécanique des fluides. Il s’adresse principalement aux étudiants de master ou d’écoles d’ingénieurs qui souhaitent s’initier aux principes de la simulation numérique en mécanique des fluides basée sur la méthode des volumes finis. Après une introduction sur l’essor et les enjeux de la simulation numérique, les équations de conservation en mécanique des fluides sont rappelées. L’ouvrage introduit ensuite les concepts de base de la méthode des volumes finis et aborde la notion de maillage (maillage structuré, multibloc, non-structuré, non-conforme,…). L’équation de transport d’une quantité scalaire est utilisée comme équation modèle et la discrétisation de chacun de ses termes (terme temporel, terme diffusif, terme convectif et terme source ou puits) est détaillée. Une attention particulière est portée sur les notions fondamentales comme l’ordre de précision, la stabilité et la convergence des schémas numériques. La discrétisation des équations de Navier-Stokes incompressibles en variables primitives est ensuite abordée en détail. Un chapitre spécifique est consacré à l’implémentation des différents types de conditions aux limites. Ce Tome 1, résolument axé sur la mise en œuvre pratique de la méthode des volumes finis dans des géométries simples, est une introduction très didactique qui ouvrira le lecteur à des concepts plus avancés développés dans le Tome 2
Non-equilibrium electrophoresis of ion-selective microparticle
No full textLes travaux de cette thèse sont consacrés à l'étude théorique et numérique du mouvement d'une particule sphérique sélective en cations dans un électrolyte sous l'action d'un champ électrique externe d'intensités diverses. La région externe de l'électrolyte n'est pas limitée, par conséquent, l'influence des parois n'est pas prise en compte.Les principaux résultats suivants ont été obtenus dans ces travaux:1. Les solutions asymptotique et numérique du problème de l'électrophorèse dans un champ électrique d'intensité faible.2. Dans le cas limite d'une faible intensité de champ électrique, la dépendance de la vitesse électrophorétique de l'intensité du champ électrique est établie, ce qui est une généralisation de la formule de Helmholtz-Smoluchowski pour une particule diélectrique (condition d'équilibre) à une particule sélective d'ions (condition de non-équilibre).3. Une solution analytique du problème est obtenue dans le cas limite d'un champ électrique de forte intensité dans chacune des couches limites minces (double couche de Debye, zone de charge d’espace et la couche de diffusion).4. L'émergence d'une instabilité électrocinétique dans la région du flux entrant de cations a été trouvée. Un scénario de transition de flux d'un régime régulier à chaotique est obtenu.Aussi bien la compréhension de la dépendance de la vitesse des particules au champ électrique que le phénomène d'instabilité électrocinétique dans la région de charge sont d'une importance pratique. Ces études peuvent être utilisées, par exemple, pour créer de nouveaux dispositifs microfluidiques pour mélanger des liquides à la micro-échelle et pour évaluer l'efficacité de l'utilisation de l'instabilité électrocinétique dans la création et l'utilisation de tels dispositifs.The work is devoted to the theoretical and numerical study of the motion of a spherical cation-selective particle in an electrolyte under the action of an external electric field of various strengths. The outer electrolyte region is not limited, so the problem is completely free from the possible influence of the walls.The following main results were obtained in the work:1. Asymptotic and numerical solution of the electrophoresis problem in a weak electric field.2. In the limiting case of the weak electric field, the dependence of the electrophoretic velocity on the electric field strength is derived, which is a generalization of the Helmholtz-Smoluchowski formula for a dielectric particle (an equilibrium process) to the ion-selective particle (non-equilibrium process).3. An analytical expansion of the problem is obtained for the limiting case of a strong electric field in each of the thin boundary layers (electric double layer, space charge region and diffusion layer).4. The emergence of electrokinetic instability in the region of the incoming cations flux was found. A scenario of the flow transition from regular to chaotic is obtained.Both the understanding of the dependence of the particle velocity on the electric field strength and the discovered phenomenon of electrokinetic instability of the space charge region are of practical importance. The electrokinetic instability can be used to create new microfluidic devices for mixing liquids on a micro-scale and for evaluating the efficiency of using electrokinetic instability in the creation of such devices
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