Simulation numérique directe de gouttes et de groupes de gouttes qui s'évaporent dans un écoulement laminaire ou turbulent

The vaporisation of injected fuel in a combustion chamber is a crucial phenomenon in an aeronautical motor because it determines the vapour quantity which will be burned to bring energy to the motor. Still, this phenomenon is not well understood due to the difficulties to measure on experiments vaporisation rates of injected sprays. Moreover, hypothesis of theoretical models are not representatives of conditions encountered in combustion furnaces. The thesis takes place in an effort to analyse the evaporation of droplet groups in a turbulent flow by mean of Direct Numerical Simulation (DNS). Indeed, during droplet group evaporation, collective effects can modify single droplet rates of vaporisation and the group global rate of vaporisation. The DNS approach should allow to quantify precisely this effect and leads to an improvement of actual models of evaporation. Firstly, algorithms are developed and used in a 1D spherical configuration to describe the evaporation of a single static droplet without gravity. Secondly, the vaporisation of a droplet in a laminar flow has been studied. The analysis focused on heat exchanges between the droplet and the external environment as well as the exerted force on the droplet by the laminar flow. In this part, it has been highlighted that the evaporation induced a decrease in thermal exchanges and drag. In some cases of strong evaporation, the drag of the droplet has been observed to be negative. It means that the evaporation can cause a propulsion phenomenon of the droplet. A theoretical analysis allows to link this behaviour to an asymmetry of the vaporisation rate. Thirdly, a study of the turbulence influence on the evaporation of a droplet has been carried out. A generator of turbulent fluctuations has been implemented and parallel approaches have been introduced to reduced computational time. It allows to analyse thermal exchanges and drag behaviour of a droplet interacting with a turbulent flow. The analysis showed that these two variables increase with turbulence. Lastly, the evaporation of groups of droplets has been studied. For three different groups of droplets, trajectories of droplets have been analysed with heat exchanges when they are put in a laminar or a turbulent flow with or without phase change. In presence of evaporation, the analysis pointed out that trajectories were different from cases without evaporation and so that phase change modifies collective effects. Moreover, these collective effects have also been observed on thermal exchanges.L’évaporation du carburant injecté dans une chambre de combustion est un phénomène crucial dans un foyer aéronautique car elle détermine la quantité de vapeur qui sera ensuite brûlée pour fournir de l’énergie au moteur. Cependant, ce phénomène reste mal décrit du fait des difficultés de mesurer expérimentalement les taux d’évaporation des gouttes appartenant à un brouillard. D’autre part, les hypothèses des modèles théoriques ne sont toujours pas représentatives des conditions rencontrées dans les foyers de combustion.La thèse s’inscrit dans une démarche visant à étudier l’évaporation d’un groupe de gouttes dans un écoulement turbulent au moyen de la Simulation Numérique Directe (SND). En effet, lors de l’évaporation de groupes de gouttes, des effets collectifs peuvent influer sur le taux d’évaporation de chaque goutte ou sur le taux d’évaporation global du nuage de gouttes. L’approche SND permet de quantifier précisément ces effets afin d’améliorer les modèles actuels d’évaporation. Dans un premier temps, des algorithmes ont été développés et utilisés dans une configuration 1D sphérique pour décrire l’évaporation d’une goutte statique isolée et sans gravité.Puis dans un second temps, l’évaporation d’une goutte a été étudiée dans un écoulement laminaire. Une analyse des échanges de chaleur entre la goutte et le milieu extérieur ainsi que de la force de traînée exercée par l’écoulement laminaire sur la goutte a été effectuée. Dans cette partie, il a été mis en évidence que l’évaporation induit une diminution des échanges thermiques et de la traînée. Il a notamment été observé que dans certains cas de forte évaporation, la traînée de la goutte peut devenir négative. Cela implique que l’évaporation peut être à l’origine d’un phénomène de propulsion de la goutte. Une analyse théorique permet de lier se comportement à une asymétrie du débit d’évaporation.Dans un troisième temps, l’influence de la turbulence sur l’évaporation d’une goutte a été étudiée. Pour cela, un générateur de fluctuations turbulentes a été implémenté et des techniques de calculs parallèles ont été introduites pour réduire les temps de calcul. Cela a permis d’analyser les échanges thermiques et le comportement de la traînée d’une goutte en interaction avec un écoulement turbulent. Il a été montré que ces deux grandeurs ont tendance à être amplifiées par la turbulence.Enfin, dans un dernier temps, l’évaporation de groupes de gouttes a été étudiée. Pour trois groupes de gouttes différents, les déplacements des gouttes ont été analysés avec les échanges de chaleur lorsque ceux-ci sont placés dans un écoulement laminaire ou turbulent avec ou sans changement de phase. En présence d’évaporation, il a été mis en évidence que les déplacements sont différents des cas sans évaporation et donc que le changement de phase modifie les effets collectifs. De plus, ces effets de groupes ont aussi été observés sur les échanges thermiques