Atomisation et écoulements multiphasiques

Qu'est-ce que c'est ?

Atomisation de fluides

L’atomisation d’une goutte en une myriade de gouttelettes lors de l’impact de la surface d’un solide, l’explosion d’une bulle sont des exemples naturels d'atomisation de fluides et des problèmes fascinants de mécanique des fluides à surface libre. Le processus d'atomisation implique le développement d'instabilités hydrodynamiques à l'interface entre l'air et un jet à haute vitesse. La simulation de l'atomisation consiste donc à être capable de suivre la surface mouvante du fluide par des méthodes numériques et à prévoir des statistiques de tailles et de vitesses de gouttelettes, ainsi que leurs trajectoires.

Écoulements multiphasiques

Les écoulements multiphasiques comportent simultanément plusieurs phases (solide, liquide, gazeuse) de fluides non miscibles : écoulements de bulles dans un liquide continu, écoulements de gouttelettes liquides dans un gaz ou un liquide non miscible, écoulements de particules discrètes dans un gaz continu... La cassure d'une vague générant des embruns, l'ébullition et la condensation de l'eau, la cavitation faisant apparaître des bulles lorsque la pression du fluide descend sous la pression de vapeur, la dynamique des réservoirs pétroliers composés d'un mélange d'eau et de gaz dans des hydrocarbures, le transport de sédiment par des vagues et des courants marins sont autant de manifestations de tels écoulements.

Pour quelles applications ?

Atomisation de fluides

Une des premières applications industrielles de l'atomisation de fluides a été la simulation de l'injection du carburant dans les moteurs thermiques des automobiles. Les dispositifs d’injection présents dans les véhicules automobiles contrôlent l’atomisation du carburant en fines gouttelettes, qui impactent alors d’une manière complexe les parois de la chambre de combustion. La bonne maîtrise de ce processus détermine la qualité de la combustion, mais aussi le rendement du moteur et le taux de pollution. Une autre application concerne la pulvérisation de liquides de refroidissement dans des procédés industriels, comme dans la fabrication de la fibre de verre ou la fabrication de tubes en acier, et l'étude des mécanismes de transfert de chaleur et de masse dans les gouttelettes et les pulvérisations. D'autre part, la pulvérisation d'actifs pour des traitements surfaciques a des applications dans le domaine médical ainsi que dans les secteurs aéronautique et automobile. On peut aussi citer l'étude de l'impact de gouttes d'eau sur des pales d'éoliennes ou sur des aubes de moteurs d'avion, ainsi que sur des missiles atmosphériques, pour évaluer les conséquences sur la tenue mécanique de ces systèmes. Enfin, une dernière application englobe tout ce qui a trait au fonctionnement des aérosols, comme dispositifs médicaux par exemple, et l'étude de l'interaction entre le produit pulvérisé et les structures biologiques (et notamment les poumons).

Écoulements multiphasiques

La simulation d'écoulements multiphasiques permet en outre de prédire le fonctionnement des pompes et le comportement des pales d'hélice de navires en cas d'apparition du phénomène de cavitation. Une autre application concerne les séparateurs cycloniques et autres collecteurs de poussière (plus communément appelés « aspirateurs »), afin de prévoir leur capacité de collection et d'anticiper le phénomène d'obstruction. D'autre part, dans le cas des réacteurs à lit fluidisé utilisés dans des processus chimiques, cela permet d'entrevoir le rendement chimique du système par le calcul du comportement global du fluide chargé de particules. Dans le cas du traitement de déchets par sédimentation ou de la production de micro-algues, cela permet d'anticiper les dépôts de particules afin d'adapter le processus selon la situation et la correction à apporter. Dans le domaine pétrolier, la simulation d'écoulements d'eau, de gaz et d'hydrocarbures en milieu poreux permet de faire du diagnostic de réservoirs pétroliers. Enfin, une application particulièrement importante et intéressante concerne l'écoulement sanguin, dont l'analyse du comportement complexe, du fait que c'est un fluide non-newtonien rhéo-fluidifiant, permet de résoudre des problèmes liés à la conception de valves aortiques synthétiques ou de vêtements optimisant la circulation sanguine.

Les apports de nos chercheurs

Sur le plan numérique, durant l'atomisation et lors des écoulements multiphasiques, le liquide est délimité par une surface mouvante dont la détermination fait partie du problème. Ainsi, nos chercheurs ont acquis une expérience conséquente du traitement numérique du suivi de surface libre adapté aux problèmes de gouttes et de bulles. C'est à ce titre qu'ils perfectionnent des méthodes numériques pour la modélisation de fluides à surface libre, comme la méthode du Volume-Of-Fluid (VoF), qui localise et suit la surface libre entre les phases de fluides non miscibles avec un maillage qui s’adapte à l’évolution de la forme de l’interface, et prédit la désagrégation détaillée du jet grâce à la prise en compte de la tension superficielle du fluide par le calcul des forces de tension capillaire de surface. Ils travaillent enfin sur la quantification d’incertitudes dans les écoulements de fluides compressibles.

Nos chercheurs ont notamment développé Basilisk, qui est un code pour la simulation d’écoulements multiphasiques, incompressibles ou compressibles, avec tension de surface, de fluides newtoniens ou non-newtoniens, ou d’électrohydrodynamique. Basilisk permet de résoudre des équations différentielles partielles modélisant des écoulements de fluides, sur des maillages cartésiens adaptatifs et hiérarchiques, tout en étant massivement parallèle. Il simule des écoulements complexes, comme des jets d’atomisation rapide ou les écoulements multiphasiques dans les roches à l’échelle des pores, et a une option de particules ponctuelles lagrangiennes.

D'autre part, nos chercheurs aussi développé Gerris, qui est un code open source (licence GPL) de simulation numérique d’écoulements multiphasiques incompressibles par méthode VoF sur maillages adaptatifs hiérarchiques. Le code Gerris permet de résoudre des équations à dérivées partielles décrivant les écoulements de fluides (Navier-Stokes, Stokes, Euler) et possède une option de raffinement adaptatif du maillage, la résolution locale du maillage s'adaptant de manière dynamique aux caractéristiques de l’écoulement, et une autre de génération automatique de maillage pour les géométries complexes. Il incorpore un procédé d’advection de volume de fluide (VOF) pour les écoulements interfaciaux, et permet une modélisation précise de la tension de surface.