Published March 15, 2023 | Version v1
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Modeling compressible turbulence for explosion applications

Description

This thesis concerns the modeling and simulation of turbulent compressible flows for explosion applications. Part 1 considers a simple compressible turbulence model proposed in 2014, where the turbulent kinetic energy is modeled using a law associated with a uniform behavior of turbulent entropy with respect to time/space. It corresponds to a model with three balance equations for mass / momentum / energy in conservative form, associated with a thermodynamics closure law which takes into account both laminar and turbulent pressure contributions. Model properties are given, and the analysis of the one-dimensional Riemann problem allows to obtain a result of existence and uniqueness for the solution of this problem, for (almost) arbitrary initial data. A second part deals with the numerical simulation of this model using an approximate Godunov scheme, and by investigating the impact of the turbulent Mach number amplitude associated with the initial conditions. In the second chapter, we consider a compressible turbulence model proposed in 2006. In this model, the turbulent entropy can vary when crossing the shocks, with a dynamic specific constitutive law. The latter model is analyzed in detail, examining the hyperbolicity conditions, the entropy characterization and the wave structure. It is a four-equation model (for mass, momentum, total energy and turbulent entropy), integrating a source term on the shock waves for the last equation/variable. A simple Finite Volume technique, using an approximate Riemann solver, and integrating the source term in the shock waves, allows to obtain discrete approximations of the solutions. This requires in particular to define a dynamic shock detector, which is based on the entropy control and Lax conditions. A numerical convergence analysis as a function of the mesh size highlights the difficulties to simulate this model. The third chapter proposes a new model which involves four partial differential equations for mass, momentum and energy balance. The fourth PDE governs the evolution of the turbulent entropy fraction ξk (ratio between turbulent and total entropies), and its source term integrates a relaxation term with an associated relaxation time scale. The construction relies on a diphasic vision of the laminar/turbulence interaction. The model is again analyzed. It is hyperbolic and its wave structure is close to that of the Euler system, including a contribution in total pressure / total internal energy associated with laminar/turbulent contributions. The simulation of this model is eventually discussed, using a Finite Volume approach and Riemann solvers (approximate Godunov scheme), using variables ξk, ρ, U, P. (author)

Abstract (French)

Cette these concerne la modelisation et la simulation d'ecoulements turbulents compressibles pour des applications a l'explosion. La partie 1 considere un modele de turbulence compressible simple propose en 2014, ou l'energie cinetique turbulente est modelisee a l'aide d'une loi associee a un comportement uniforme en temps/espace de l'entropie turbulente. Il correspond a un modele a trois equations de bilan masse, dynamique,energie, en forme conservative, associe a une loi de fermeture thermodynamique prenant en compte les contributions de pression laminaire et turbulente. Les proprietes du modele sont donnees, et l'analyse du probleme de Riemann unidimensionnel permet d'obtenir un resultat d'existence et unicite de la solution de ce probleme, pour des donnees initiales (presque) quelconques. Une seconde partie aborde la simulation numerique de ce modele a l'aide d'un schema de Godunov approche, et en examinant concretement l'impact de l'amplitude du nombre de Mach turbulent associe aux conditions initiales. Dans une seconde partie, on s'interesse a un modele de turbulence compressible propose en 2006. Dans ce modele, l'entropie turbulente peut varier a la traversee des chocs, avec une loi de comportement specifiee dynamique. Le modele propose est analyse en detail, en examinant les conditions d'hyperbolicite, la caracterisation entropique et la structure d'ondes. C'est un modele a 4 equations (masse/dynamique/energie totale et entropie turbulente), integrant un terme source sur les ondes de choc pour la derniere equation/variable. Une technique simple de Volumes finis, avec solveur de Riemann approche, integrant le terme source dans les ondes de choc, permet d'obtenir des approximations discretes des solutions. Ceci necessite en particulier de mettre en place un detecteur de choc dynamique, qui est base sur le controle de l'entropie et des conditions de Lax. Une analyse de convergence numerique en fonction du pas de maillage met en evidence les difficultes a simuler ce modele. La troisieme partie propose un nouveau modele qui comporte comme dans la partie 2 quatre EDP portant sur la masse/dynamique/energie, mais la variable principale pour la derniere EDP est la fraction ξk d'entropie turbulente sur l'entropie totale (laminaire et turbulente), et le terme source integre cette fois un terme de relaxation avec une echelle de temps de relaxation associee. La construction est differente de celle des modeles precedents et repose sur une vision diphasique de l'ensemble laminaire/turbulence. Le modele est encore une fois analyse. Il est hyperbolique et possede une structure d'ondes proche de celle du systeme Euler, avec une contribution en pression totale/energie interne totale associee aux deux contributions laminaire / turbulente. La simulation de ce modele est egalement abordee, mettant en oeuvre une approche en Volumes Finis et des solveurs de Riemann de type VFRoe-ncv (Godunov approche), en variable ξk, ρ, U, P. (auteur)

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Original title (English)
Modelisation de la turbulence compressible pour l'explosion

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Imprint Pagination
187 p.
Report number
FRNC-TH--14009

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