Soutenance de thèse de Mostafa TAHA

En raison de leur coût de calcul attractif, leurs capacités pour le calcul massivement parallèle, et la facilité à traiter des géométries complexes en utilisant des maillages cartésiens à plusieurs niveaux, les méthodes de Boltzmann sur réseau (LBM) ont connu un intérêt accru dans les domaines universitaire et industriel lors de la dernière décennie. Dans ce travail de doctorat, et pour la première fois, une méthode de Boltzmann sur réseau hybride à base de pression est développée pour simuler des écoulements contrôlés par les forces de flottabilité caractéristiques des incendies avec haute fidélité. Les formulations compressibles et à faible nombre de Mach sont considérées et sont couplées avec des modèles de turbulence et de combustion à l'état de l'art afin de prédire correctement le comportement instationnaire et les caractéristiques de ces écoulements. La cohérence, la mise en œuvre et la robustesse de la LBM proposée sont vérifiées par des cas test canoniques 1-D et 2-D, impliquant la colonne de pression 1-D et les instabilités 2-D de Rayleigh-Bénard et Rayleigh-Taylor. Le modèle LBM est ensuite appliqué à la simulation aux grands échelles (LES) des champs proche et lointain de panaches contrôlés par les forces de flottabilité, chacune de ces régions étant caractérisée par sa propre dynamique. La LES de la région de type panache (c.-à-d. champ lointain) montre la capacité du modèle à reproduire le comportement caractéristique de la région de champ lointain d’un panache forcé. Les profils axiaux et radiaux de vitesse et de température concordent bien avec les données expérimentales, théoriques et numériques. La simulation d'un panache d’hélium de grande taille est ensuite effectuée pour évaluer la capacité du modèle à reproduire la dynamique de la région en champ proche. Différents modèles de turbulence de sous-maille sont comparés dans ces simulations et il a été constaté, comme dans les études précédentes, que les résultats sont plus sensibles à la résolution spatiale qu’au modèle de turbulence. Il est essentiel d’avoir un maillage bien résolu à la base du panache pour saisir la formation d’instabilités entraînées par la flottabilité qui se développent pour générer des structures turbulentes et régir la dynamique du panache. Le mécanisme de "puffing" a été correctement prédit et les profils axiaux et radiaux de la vitesse et de la fraction massique d’hélium correspondaient aux données expérimentales et aux simulations numériques antérieures fondées sur le solveur classique de l’équation de Navier-Stokes. Enfin, une simulation aux grandes échelles d’un feu de méthane à grande échelle purement contrôlé par les forces flottabilité a été réalisées en utilisant le modèle EDC comme modèle de combustion et un modèle simplifié de rayonnement utilisant la fraction rayonnée. Le solveur a pu prédire correctement la dynamique du feu. Ces cas de test ont montré que le modèle LBM développé est entièrement capable de simuler avec fidélité les écoulements associés à des applications incendie et ce à un coût de calcul inférieur aux solveurs classiques des équations de Navier-Stokes.

Due to their attractive computational cost, its capacities for massively parallel computing, and the ease to deal with complex geometries using multi-level Cartesian grids, Lattice Boltzmann methods (LBM) have attracted growing interest both in the academic and industrial spheres in the past decade. In this Phd work, and for the first time, a pressure-based hybrid LBM is developed to simulate with high fidelity buoyant flows characteristics of unwanted fires. Both compressible and low-mach formulations are considered and are coupled with state-of-the-art turbulence and combustion models in order to correctly predict the unsteady behaviour and characteristics of such flows. The consistency, the implementation and the robustness of the proposed LBM method are verified through 1-D and 2-D canonical test cases, involving the 1-D pressure column and the 2-D Rayleigh-Bénard and Rayleigh-Taylor instabilities. The LBM model is then applied to Large Eddy Simulation (LES) of the near and far fields of buoyant plumes, each region being characterised by its own dynamics. The LES of plume-like region (i.e. far-field) shows the capability of the model to reproduce the characteristic behaviour of the far-field region of a forced plume. Axial and radial profiles of velocity and temperature agreed well with experimental, theoretical and numerical data. The LES of large-helium plume is then performed to assess the capability of the model to reproduce the dynamics of the near-field region. Different subgrid-scale turbulence models were considered in these simulations and it was found, consistently with previous studies, that results are more sensitive to the grid resolution than to the turbulence model. Having a well resolved grid at the base of the plume is crucial to capture the formation of buoyancy driven instabilities that grow to generate the buoyancy-generated turbulence and govern the plume dynamics. The puffing mechanism was correctly predicted and the axial and radial profiles of velocity and helium mass fraction were consistent with the experimental data and previous numerical simulations based on classical solver of the Navier-Stokes equation. Finally, LES of a purely-buoyant large-scale methane fire was performed by using the Eddy dissipation concept (EDC) as combustion model and a simplified radiant fraction-based radiation model. The solver was able to correctly predict the fire dynamics. These test cases showed that the developed LBM model is fully capable of simulating with fidelity buoyant flows associated with fire applications at lower computational cost than classical solvers of Navier-Stokes equations.