Ecole Doctorale

SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique

Spécialité

Sciences pour l'ingénieur : spécialité Mécanique et Physique des Fluides

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

LBM,transfert de chaleur,parois solides,écoulements thermiques,

Keywords

LBM,heat transfer,no slip solid walls,thermal flow,

Titre de thèse

Amélioration des prédictions de transfert de chaleur et de masse au niveau des parois solides dans les simulations Lattice Boltzmann des écoulements thermiques
Improvement of heat and mass transfer predictions at solid walls in Lattice Boltzmann simulations of thermal flows

Date

Wednesday 5 October 2022 à 14:00

Adresse

38 Rue Frédéric Joliot Curie Amphi 3

Jury

Rapporteur M. Frédéric KUZNIK INSA LYON / CETHIL
Rapporteur M. Adrien TOUTANT Université de Perpignan / PROMES
Examinateur M. Nicolas GOURDAIN Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées / ISAE-Supaero
Examinateur Mme Virginie DARU ENSAM Paris
Directeur de these M. Eric SERRE AMU / CNRS M2P2
CoDirecteur de these M. Pierre SAGAUT AMU / CNRS M2P2

Résumé de la thèse

Ce travail fait partie du projet ALBUMS (Advanced Lattice-Boltzmann Understandings for Multi-physics Simulations) qui vise à promouvoir la méthode Lattice Boltzmann (LBM) aux applications industrielles réalistes à grande échelle. Conçu à l'origine comme un solveur faiblement compressible à basse vitesse, le domaine validé de LBM est étendu à l'écoulement compressible allant de la configuration bas Mach à haut Mach et régime turbulent à haut nombre de Reynolds. Cependant, le traitement des limites et sa capacité à prédire les problèmes de transfert de chaleur défient encore ses applications, en particulier en régime turbulent à nombre de Reynolds élevé avec une grande différence de température. Et le but de ce manuscrit est d'améliorer la robustesse, la précision et l'efficacité du traitement des limites du LBM ainsi que d'étendre sa capacité à prédire les problèmes de transfert de chaleur dans la limite du faible nombre de Mach. La modélisation de paroi solide et le problème de perte de masse sont premièrement étudiés. La méthode des frontières immergées à cellules coupées (IBM) basée sur la condition aux limites régularisée est adoptée en raison de ses avantages exceptionnels tels que robuste, facile à mettre en œuvre, adaptée pour traiter des géométries complexes, etc. Toutes ces propriétés sont requises dans les configurations d'ingénierie. Cette condition aux limites est évaluée à l'aide d'une méthode LB classique faiblement compressible dans un régime isotherme, tandis que la méthode LB basée sur la pression est utilisée pour traiter les régimes thermiques. Il a été observé que des pertes de masse importantes peuvent se produire au niveau des parois solides, ce qui dégrade la précision des solutions et la fiabilité des simulations. Afin de résoudre ce problème, un schéma de correction de masse en utilisant une relaxation spatio-temporelle est adopté pour la simulation d'écoulements turbulents isothermes. Cependant, pour les écoulements non isothermes, il peut toujours y avoir une perte de masse importante, et les moments d'ordre zéro redéfinis de la fonction de distribution de la méthode LB basée sur la pression compliquent l'analyse du problème de fuite de masse. Pour résoudre ce problème, un schéma de correction de masse est ensuite proposé basé sur la méthode LB compressible et appliqué au scénario de convection naturelle classique. De plus, une modélisation avancée près de la paroi via une approche de mélange RANS/LES est proposée dans le cadre de LBM pour simuler des écoulements turbulents à nombre de Reynolds élevé. En ce qui concerne la prédiction des écoulements dominés par la chaleur, qui était l'une des tâches principales de ce travail, la méthode LB basée sur la pression souffre du problème de restriction de temps pour les écoulements thermiques à faible Mach, ce qui rend les simulations inefficaces. Pour cette raison, un nouveau solveur LB thermique hybride basé sur l'approximation à faible nombre de Mach (LMNA) est proposé et validé sur diverses configurations des écoulements thermiques. Une accélération d'au moins 10 fois est obtenue tout en gardant une grande précision par rapport à la référence selon cette étude.

Thesis resume

This work is a part of the project ALBUMS (Advanced Lattice-Boltzmann Understandings for Multi-physics Simulations) which aims at promoting the Lattice Boltzmann method (LBM) to full scale realistic industrial applications. Originally designed as a weakly compressible solver, many attempts have been made during the last three decades to remove the scientific locks of major importance for the use of LBM.However, the solid wall modeling with the presence of turbulent boundary layer and the prediction of heat dominated flow still challenge its applications especially at high Reynolds number with large temperature differences. The purpose of this manuscript is to improve the LBM's robustness, accuracy and efficiency in the solid wall modeling as well as to extend its ability on predicting heat transfers in the limit of low-Mach number which constitute two main axes of this thesis. The solid wall modeling and mass leakage issues are firstly investigated.The cut-cell immersed boundary (IBM) method based on regularized boundary condition is adopted because of its outstanding advantages such as robust, easy to implement, suited to deal with complex geometries etc. All of these properties are required in engineering configurations.This boundary condition is evaluated using a classical weakly compressible LB method in an isothermal regime while the pressure-based LB method is employed to address thermal regimes. It's observed that significant mass leakage may occur at solid walls which degrades the accuracy of the solutions and the reliability of the simulations.In order to circumvent this problem, a spatial-temporal relaxation mass correction scheme is adopted for the simulation of isothermal turbulent flows. For non-isothermal flows however, there may still be significant mass leakage, and the redefined zero-order moments of the distribution function of pressure-based LB method complicates the analysis of the mass leakage issue. To solve this, a mass correction scheme is then proposed based on the compressible LB method and applied to the classical natural convection scenario.Furthermore, an advanced near wall modeling via a blending RANS/LES approach is proposed in the framework of LBM to simulate high Reynolds number turbulent flows. Regarding the prediction of heat dominated flows, which was one of the main task of this work, the pressure-based LB method suffers from the time restriction issue for low-Mach thermal flows which makes the simulations inefficient.For this reason, a new hybrid thermal LB solver based on the well-known low-Mach number approximation (LMNA) is proposed and validated on various thermal flow configurations. At least a 10 times speed-up is achieved while keeping high accuracy compared to the reference according to this study.