Simulation numérique des écoulements multi-composants à trois phases par l'approche de Boltzmann sur réseau

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Le programme de recherche vise à étendre le domaine d'applicabilité de l'approche numérique Lattice Boltzmann (LBM) pour la simulation des écoulements multi-composants à changement de phase, en visant principalement l'application aux givrage des drones. Cette recherche contribuera à mieux comprendre le givrage des drones et aidera les organismes de régulation canadiens et les fabricants de ces appareils à développer des drones plus sécuritaires et à mieux encadrer leur utilisation dans des conditions météorologiques difficiles. Le but final est d'étudier numériquement le givrage à l'échelle des gouttelettes. Actuellement, la recherche sur le givrage des drones s'intéresse beaucoup aux matériaux hydrophobes et glaciophobes comme méthodes passives de prévention du givrage. Pour ces matériaux, il est important de modéliser les interactions entre les gouttelettes d'eau et les surfaces lors de l'impact des gouttelettes. Basé sur nos réalisations antérieures et notre expertise dans les approches LBM, nous croyons que ces approches ont un potentiel important en vue de réaliser de telles simulations. Bien que les approches LBM aient énormément progressé durant la dernière décennie, la modélisation et la simulation d'un phénomène aussi complexe qu'un évènement de givrage sur un drone est encore hors de portée. Plusieurs défis subsistent et nous visons par le présent projet à résoudre ces défis afin d'atteindre notre but final. Nous avons donc subdivisé le développement en trois phases, qui seront confiées à trois étudiants au Ph.D. avec les objectifs suivants : Ph.D. 1: Développer un solveur LBM multi-composant en 3D capable de simuler l'impact d'une gouttelette d'eau sur une surface courbe, pour un nombre de Reynolds typique de l'écoulement sur les pales d'un drone. Un des défis sera la simulation stable pour des hauts rapports de densité et des nombres de Reynolds élevés. Nous allons d'abord comparer les méthodes LBM récentes pour les écoulements multi-composants et ensuite réaliser les adaptations nécessaires pour atteindre les conditions souhaitées. Ph.D. 2: Inclure dans le solveur développé par le Ph.D. 1 la solution du champ thermique par une méthode LBM enthalpique capable de simuler le givrage. Développer les algorithmes permettant de modéliser les gouttelettes sur-refroidies, le dégagement de la chaleur latente et le changement de densité lors du givrage. Valider sur des cas expérimentaux. Ph.D.3: Étendre les algorithmes développés en 1) et 2) pour réaliser la simulation d'un évènement de givrage sur un drone. En particulier, étendre les algorithmes pour des simulations multi-échelles sur des maillages cartésiens hiérarchiques adaptatifs, permettant de suivre le déplacement des gouttelettes. Adapter les algorithmes pour des architectures de calcul à haute performance. Réaliser des simulations à l'état de l'art d'un évènement de givrage sur un drone et comparer les formes de glace obtenues pour différents matériaux hydrophobes.