Simulation numérique directe de l’impact de SLD (Supercooled Large Droplet) sur une paroi
Institution:
Toulouse, ISAEDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
In-flight icing prevention is a major issue in the aeronautical world, since it's one of the major causes of accidents.When supercooled droplets impact the airfoil, icing accretion occurs and can dramatically deteriorate the aeronauticalperformances or obstruct sensors. In this context, a deep understanding of drop impact phenomenon isneeded to answer the new regulations from certification agencies and at the same time to improve the eficiency ofice protection devices. Using a Direct Numerical Simulation (DNS) tool allows us to provide physical quantitieshard to access by experimental means. However, high-velocity impacts demand the use of precise, conservativeand stable numerical methods, as well as high computational ressources. In this PhD, we make a contribution tothe understanding of drop impact on different targets (dry wall or liquid film) with both low and high impactvelocity. This work has been accompished by developing and using the DNS code DYJEAT based on incompressibleNavier-Stokes equations for two-phase flows. The use of both Level-Set and Volume-of-Fluid methodsallows us to cope with this numerical challenge. First, spreading phenomenon is studied by implementing a lawfor capillary effects at the triple line. Then, the crown formation following the impact on a liquid film is analyzed.Specific methods for post-processing are developed to precisely characterize both geometrical crown topology andsecondary droplets. From the analysis of high-velocity impacts recorded by ONERA lab, we devise and performa series of simulations on configurations barely addressed by now in the litterature. The influence of wettability, incidence angle and ambient pressure on splashing phenomenon are highlighted. This kind of simulation requiresheavily refined mesh surpassing the billion mesh cells. In this high-performance context, calculation practices needto be reworked to eficiently perform simulation and post-processing on supercomputer at a regional or national level.
Abstract FR:
La lutte contre la formation de givre en vol est un enjeu majeur en aéronautique en tant que source majeured'accidents. Lors de la collision avec les gouttes d'eau surfondue présentes dans les nuages, l'accrétion de givre engendrée peut détériorer les performances aérodynamiques de l'appareil ou obstruer les capteurs. Dans ce contexte,la compréhension détaillée du processus d'impact de goutte est encouragée par l'évolution des normes de certification pour adapter les dispositifs de protection. L'utilisation d'un outil de simulation numérique directe (DNS)permet d'accéder à des grandeurs physiques difficilement accessibles par l'expérience et de fournir des donnéespour la modélisation. Néanmoins, les impacts à haute vitesse demandent des méthodes numériques à la foisprécises, conservatives et robustes tout en exigeant un coût de simulation élevée. Dans cette thèse, on contribue àla compréhension de la physique de l'impact de goutte à basse et haute vitesse sur différents types de cible, paroissèche ou mouillée. Ceci est fait à travers le développement et l'utilisation du code DNS DYJEAT, qui résoutles équations de Navier-Stokes incompressibles diphasiques. Une approche centrée sur les méthodes Level-Set etVolume-of-Fluid permettent de répondre aux défis de ce type de simulation. A l'aide de ce code, on étudie d'abordle phénomène d'étalement en implémentant une modélisation des effets capillaires en paroi. On s'intéresse parla suite à la formation d'une couronne liquide lors d'un impact sur une épaisseur liquide. L'instrumentation ducode réalisée permet de caractériser finement la couronne et les structures secondaires formées lors de l'impact.A partir du post-traitement d'expériences à haute vitesse menées à l'ONERA, on a réalisé une campagne desimulations sur des configurations à haute énergie, jusqu'à présent peu explorées en littérature. Ces campagnesde calculs permettent en particulier d'explorer l'effet de la nature de la paroi, de l'angle d'impact ou de la pressionambiante sur le phénomène de splash. Ces calculs nécessitent des maillages pouvant dépasser le milliard de pointset impliquent l'adaptation des pratiques de calcul décrites aussi dans ce travail, et appliquées lors de l'utilisationdes supercalculateurs au niveau régional ou national.