Simulation and optimization of complex phenomena in multiphase flows - CNRS - Centre national de la recherche scientifique Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Simulation and optimization of complex phenomena in multiphase flows

Simulation et optimisation de phénomènes complexes dans des écoulements multiphasiques

Tomas Fullana

Résumé

In this thesis, we study complex phenomena in multiphase flows using various new numerical methods and models. The focus is, first, set on the two-phase Stefan problem, a phase-change problem where the motion of the interface is related to the jump in conductive heat fluxes. The complex interfacial shapes in crystal growth, in the presence anisotropy effects, are accurately predicted thanks to our level set method coupled with a novel Cut Cell method for diffusive transport. A shape optimization procedure with a tracking-type cost functional based on a continuous adjoint derivation is then built and tested on various physical setups, yielding favorable results. Considering the Navier-Stokes equations in the Boussinesq approximation, a study of onset of Rayleigh-Bénard instability in the presence of a melting boundary is also carried out. In the second part, we investigate dynamic contact line problems, where a fluid-fluid interface meets a solid boundary. Various novel methods are implemented in a Volume-Of-Fluid framework, such as the generalized Navier boundary condition, where the speed of the contact line depends on the uncompensated Young's stress, or the toy model, where the existing mass flux in diffuse interface models is related the interface curvature, resulting in a simple dynamic angle relation.
Dans cette thèse, nous étudions des phénomènes complexes présents dans les écoulements multiphasiques en utilisant diverses méthodes et modèles numériques. L'accent est mis, tout d'abord, sur le problème diphasique de Stefan, un problème de changement de phase où le mouvement de l'interface est lié au saut des flux conductifs de chaleur. Les formes complexes de l'interface dans la croissance cristalline, en présence d'effets d'anisotropie, sont prédites avec précision grâce à notre méthode d'ensemble de niveaux couplée à une nouvelle méthode de cellules coupées pour le transport diffusif. Une procédure d'optimisation de la forme de cette interface, basée sur la dérivation de l'adjoint sous forme continue, avec une fonction de coût de type suivi d'interface, est ensuite construite et testée sur différentes configurations physiques. En considérant les équations de Navier-Stokes dans l'approximation de Boussinesq, une étude sur l'apparition de l'instabilité de Rayleigh-Bénard en présence d'une frontière de fusion est également réalisée. Dans la deuxième partie, nous étudions les problèmes de lignes de contact dynamiques, où une interface fluide-fluide est en contact avec une frontière solide. Plusieurs nouveaux modèles sont mis en place au sein d'une méthode du volume de fluide, tel que la condition limite généralisée de Navier, où la vitesse de la ligne de contact dépend de la contrainte de Young non compensée, ou encore le modèle-jouet, où le flux massique existant dans les méthodes à interface diffuse est mis en relation avec la courbure de l'interface, résultant en une simple relation d'angle de contact dynamique.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04053531 , version 1 (31-03-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04053531 , version 1

Citer

Tomas Fullana. Simulation and optimization of complex phenomena in multiphase flows. Mechanics [physics]. Sorbonne Université, 2022. English. ⟨NNT : 2022SORUS476⟩. ⟨tel-04053531⟩
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