Improvement of the SPH method for multiphase flows application to the emergency water landing of aircrafts : application to the emergency water landing of aircrafts
Amélioration de la méthode SPH pour écoulements multiphasiques : Application à l’amerrissage d’urgence d’avions
Résumé
This thesis focuses on the improvement of the SPH method for multiphase flows, and its application to emergency landing of aircrafts. This problem, also known as “ditching”, is characterized by violent flows resulting in large deformations of the free-surface. In addition, the ditching problem encompasses coupled evolutions of the different phases present during the impact, namely air, liquid water and, in extreme cases, water vapor. The SPH method is an excellent candidate for simulating such problems. Indeed, on the one hand, the absence of mesh within this method makes it easier to compute large deformations of the free-surface, completely eliminating the problem of mesh distortion, unlike other classical numerical methods such as Finite Elements. On the other hand, the SPH method naturally lends itself to the simulation of multiphase flows due to its Lagrangian formalism. The absence of convective terms within the SPH equations prevents the existence of numerical diffusion at the interface between fluids, eliminating the traditional need for interface capture schemes. During this thesis, first a new explicit weakly-compressible SPH model was developed, capable of simulating multiphase flows at high density ratios, possibly in the presence of a freesurface, while producing pressure fields without spurious oscillations. A study of the numerical stability of this model was conducted, resulting in a heuristic definition of the maximum stable time steps as a function of the sound speed ratio of the fluids involved. Then, the model was validated and compared to a Riemann-SPH scheme, in terms of stability domain, pressure fields and numerical diffusion. Finally, as part of the European SARAH project, the SPH method was applied to the problem of aircraft ditching under real impact velocity conditions. Experiments conducted by other partners have demonstrated the existence of cavitation at certain impact speeds. As a result, a numerical cavitation capturing technique was introduced in this thesis. Finally, 2D and 3D SPH simulations yielded a satisfactory agreement between the experiments and our numerical results.
Cette thèse porte sur l'amélioration de la méthode SPH pour les écoulements multiphasiques, et son application à l'amerrissage d'urgence d'avions. Ce problème, appelé aussi «ditching», est caractérisé par des écoulements violents donnant suite à de larges déformations de la surface libre. En outre, le problème du ditching englobe des évolutions couplées des différentes phases présentes pendant l'impact, à savoir l'air, l'eau liquide et, dans des cas extrêmes, la vapeur d'eau. La méthode SPH est un excellent candidat pour simuler de tels problèmes. En effet, d'une part, l'absence de maillage dans cette méthode permet plus facilement de calculer les grandes déformations de la surface libre, en s'affranchissant complètement du problème de distorsion du maillage, contrairement aux autres méthodes numériques classiques telles que les Éléments Finis. D'autre part, la méthode SPH se prête naturellement à la simulation d'écoulements multiphasiques de par son formalisme lagrangien. L'absence de termes convectifs au sein des équations SPH prévient l'existence de diffusion numérique à l'interface entre les fluides, supprimant le besoin classique de schémas de capture d'interface. Lors de cette thèse, dans un premier temps, un nouveau modèle SPH faiblement compressible explicite a été développé, capable de simuler des écoulements multiphasiques à hauts ratios de densité, éventuellement en présence d'une surface libre, tout en produisant des champs de pression libres d'oscillations numériques. Une étude de la stabilité numérique de ce modèle a été menée, résultant en une définition heuristique des pas temps maximaux stables en fonction du ratio de vitesses du son des fluides mis en jeu. Ensuite, le modèle a été validé puis comparé à un schéma Riemann-SPH, en termes de domaine de stabilité, de champs de pression et de diffusion numérique. Finalement, dans le cadre du projet européen SARAH, la méthode SPH a été appliquée au problème d’amerrissage d'avions dans des conditions de vitesses d'impact réelles. Des expériences menées par des partenaires du projet ont démontré l'existence du phénomène de cavitation à partir de certaines vitesses d'impact. En conséquence, une technique de capture de cavitation numérique a été introduite dans cette thèse. Enfin, à l'issue de simulations SPH 2D et 3D, un accord satisfaisant a été observé entre l'expérience et nos résultats numériques.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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