Etude du comportement thermo-mécanique d'un milieu granulaire et interactions milieu-réservoir

par Nahia Sassine

Thèse de doctorat en Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Frédéric Victor Donzé.

Le président du jury était Philippe Nardin.

Le jury était composé de Barthélémy Harthong, Arnaud Bruch.

Les rapporteurs étaient Jean-Noël Roux, Moulay Saïd El Youssoufi.


  • Résumé

    Les systèmes de stockage d'énergie thermique sont des éléments centraux de divers types de centrales de production d'énergie fonctionnant à l'aide de sources d'énergie renouvelables. Ces systèmes de stockage thermique de type solide/fluide peuvent être considérés comme une solution rentable dans les centrales solaires à concentration. Un tel dispositif est constitué d'un réservoir rempli d'un lit granulaire à travers lequel circule un fluide caloporteur. Cependant, dans de tels dispositifs, le réservoir pourrait être soumis à une accumulation de contraintes thermiques au cours des cycles de chargement et de déchargement en raison de la dilatation thermique différentielle entre le milieu granulaire et la paroi du réservoir. Cette thèse a été consacrée à l'étude du comportement thermomécanique du lit granulaire à l'intérieur d'un réservoir de stockage thermique de type régénérateur solide/fluide. Pour atteindre cet objectif, deux approches ont été suivies : les approches numériques et expérimentales. Un modèle numérique basé sur la méthode des éléments discrets a été développé pour décrire le comportement du réservoir sous cyclage thermique. L'évolution des contraintes appliquées aux parois de la cuve au cours des cycles thermiques, est étudiée en tenant compte à la fois des charges thermiques et mécaniques, ainsi que de la cinématique du milieu granulaire à l'échelle des particules (c'est-à-dire des éléments discrets) et de la déformation thermo-mécanqiue du réservoir. Des simulations ont été effectuées pour différentes configurations thermiques (chauffage/refroidissement homogène du réservoir sur sa hauteur ou gradient vertical de température) et différents cas de condition limite (paroi rigide, paroi du réservoir avec un coefficient de dilatation thermique supérieur au lit de roche ou inversement). Le comportement du réservoir dépend des conditions thermiques et conditions aux limites imposées. De plus, un prototype de thermocline a été conçu et construit au sein du laboratoire au CEA, visant à étudier l'accumulation de contraintes sur les cycles thermiques. Le dispositif expérimental, appelé ESPERA, est équipé de dispositifs de mesure de force installés à différentes hauteurs sur la paroi du réservoir. Les dispositifs de mesure de force ont été développés et calibrés au CEA. Leur sensibilité a également été testée en développant un autre banc expérimental, P'tit- Pousse. Des essais expérimentaux ont été réalisés permettant de prouver l'accumulation des contraintes au cours des cycles. Finalement, une comparaison entre les résultats numériques et les premiers résultats expérimentaux obtenus en fin de thèse est proposée.

  • Titre traduit

    Study of the thermo-mechanical behavior of granular media and interactions medium-tank


  • Résumé

    Thermal Energy Storage (TES) systems are central elements of various types of power plants operated using renewable energy sources. Packed bed TES can be considered as a cost effective solution in concentrated solar power plants (CSP). Such a device is made of a tank filled with a granular bed through which a heat-transfer fluid circulates. However, in such devices, the tank might be subjected to an accumulation of thermal stresses during cycles of loading and unloading due to the differential thermal expansion between the filler and the tank wall. This research was devoted to investigate the thermo-mechanical behavior of the granular bed inside a packed bed TES tank. To achieve this objective, two approaches were undertaken in this work, i.e. numerical and experimental. A numerical model was defined to describe the tank's behavior under thermal cycling based on the discrete element method (DEM). The evolution of tank wall stresses over thermal cycles, taking into account both thermal and mechanical loads, as well as the kinematics of the granular material at the particles scale (i.e. discrete elements), are studied here. The deformability of the tank itself under thermo-mechanical loads is also included in the numerical model. Simulations were performed for different thermal configurations (i.e. the tank is heated homogeneously along its height or with a moving vertical gradient of temperature) and different boundary condition cases (i.e. rigid wall, tank wall with a higher thermal expansion coeficient than the bed or inversely). The behavior of the tank is dependent on the imposed thermal and boundary conditions. In addition to this, a thermocline prototype was designed and constructed at the CEA laboratory, aiming at studying the stress accumulation over the thermal cycles. The experimental setup, called ESPERA, is equipped with force measurement devices, installed at different height positions on the wall. The force measurement devices were developed and calibrated at the CEA. Their sensitivity was also tested using a different developed setup, P'tit-Pousse. Experimental tests were carried out proving the stress accumulation over the cycles. Eventually, a comparison between the numerical results and the lately-obtained preliminary experimental measurements is proposed.


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