Modélisation et simulation numérique multi-physique et multi-échelle en mécanique des fluides

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Les plasmas thermiques sont rencontrés dans plusieurs systèmes d'ingénierie incluant les torches à plasma utilisées pour la projection de particules; la propulsion par plasma utilisée sur les satellites; les disjoncteurs haute-tension dont le principe de coupure repose sur un arc électrique stabilisé, soufflé et éteint par un écoulement gazeux. Les instabilités dues à la turbulence limitent la performance de ces systèmes et une meilleure compréhension de l'écoulement dans ces conditions est essentielle à l'amélioration des designs. La difficulté dans la simulation de l'écoulement des plasmas thermiques tient au couplage des physiques multiples en jeu, incluant un écoulement transsonique, des réactions chimiques, du rayonnement, des sources ohmiques, des forces magnétiques et des interactions avec les parois qui s'érodent. Nous avons développé depuis 25 ans une expertise en modélisation et simulation numérique pour l'application aux disjoncteurs haute-tension. Cette expertise s'est concrétisée par le développement de notre propre solveur en volumes finis pour les écoulements 2D-axisymétriques de plasmas thermiques, solveur qui est utilisé quotidiennement pour le design des disjoncteurs par un partenaire industriel. Le but du programme de recherche est de développer les bases d'une nouvelle génération de solveurs 3D multi-physiques afin d'améliorer de manière significative la fidélité de la simulation et ainsi aider à comprendre ces écoulements complexes. En comparaison à notre propre solveur et à la majorité des logiciels commerciaux de CFD qui sont en général d'ordre 2, une capacité d'ordre élevé, soit 4 ou 5 est estimée nécessaire pour améliorer les prédictions. Un ordre plus élevé permettra de minimiser la diffusion numérique et de mieux simuler les écoulements turbulents instationnaires et les couplages multi-physiques. à la base, nous allons développer un solveur 3D en volumes finis, avec les flux calculés à ordre élevé. Par la suite, nous allons coupler la méthode des volumes finis et l'approche cinétique de Boltzmann pour permettre un meilleur calcul des flux dans les cas de physique complexe. La turbulence sera traitée par une approche de type grandes échelles LES, ainsi que le couplage turbulence-champ-magnétique-rayonnement. Nous visons une solution efficace et précise des différentes échelles de temps et d'espace par l'utilisation d'une adaptation en espace par raffinement des maillages, et en temps via des pas de temps locaux. De plus, l'implémentation sera faite de manière à optimiser l'utilisation des ordinateurs hautement parallèles en vue de diminuer le temps de calcul. Les nouvelles capacités d'investigation fournies par ces nouveaux modèles numériques permettront une analyse beaucoup plus fidèle des interactions entre l'arc et l'écoulement et ceci sera démontré en comparant les nouveaux résultats aux données expérimentales et à nos modèles antérieurs.