Schémas de simulation d'un modèle à trois phases immiscibles pour application à l'explosion vapeur

par Hamza Boukili

Thèse de doctorat en Mathématiques appliquées

Sous la direction de Jean-Marc Hérard.

Le président du jury était Sergey Gavrilyuk.

Le jury était composé de Maria-Giovanna Rodio, Gloria Faccanoni, Jean-Claude Latché, Thierry Gallouët.

Les rapporteurs étaient Enrique Domingo Fernandez Nieto, Jacques Sainte-Marie.


  • Résumé

    Dans ce travail, on étudie la modélisation d'écoulement à trois phases non miscibles. L'application visée est l'explosion vapeur, qui risque de se produire lorsqu'un constituant liquide (S) (métal liquide à haute température) rentre en contact avec un constituant relativement froid, qui est en général de l'eau présente sous forme liquide (L) et vapeur (V). Les principaux transferts ayant lieu sont de type dynamique (vitesse-pression) et thermodynamique (échanges de chaleur et de masse). Plus précisément, les transferts de chaleur apparaissent entre les phases S, L et V, tandis que le transfert de masse ne peut survenir qu'entre les phases L et V du constituant eau. Les applications de type explosion vapeur (EV) génèrent des ondes de choc se propageant au sein du milieu et allant impacter des structures. Il est essentiel de noter que les temps de simulation réels, et les échelles de temps, sont courts. Il s'agit donc de simuler un modèle d'EDP avec lois de fermeture, qui permette de traiter des écoulements fortement instationnaires à trois phases immiscibles, avec génération d'ondes de choc et forts transferts thermiques et de masse, et qui soit conforme au second principe de la thermodynamique. Une fois le modèle d'EDP fermé donné, l'attention est portée sur la méthode numérique d'approximation de ce modèle. Une stratégie à pas fractionnaires est mise en place, afin de permettre de traiter un à un les différents effets de relaxation inclus dans le modèle. Différents cas tests numériques ont été réalisés, afin de s'assurer des propriétés des schémas considérés, et valider la cohérence des résultats numériques avec le comportement physique attendu de l'écoulement simulé

  • Titre traduit

    Simulation schemes of an immiscible three-phase flow model for vapour explosion applications


  • Résumé

    This PhD work consists of modeling a three-phase flow: liquid (L), gas (V) for the same component (water) and solid (S) for a second component (high temperature metal). Such a mix is characterized by the risk of occurrence of vapour explosion, where major transfers happen: in this bi-component environment dynamic transfers are important (speed / pressure) and thermodynamic exchanges (heat and mass transfers) also are at stake. More specifically, heat transfers occur between phases S, L and V, while the mass transfer can only occur between the phases L and V. The vapour explosion type applications (EV) generate shock waves propagating within the medium and can impact the structures. Finally, it is essential to note that the actual simulation time, and different time scales are short. The mission is, therefore, to compute an EDP model with closure laws, capable of dealing with strongly unsteady three-phase non-miscible flows, with generation of shock waves and high thermal and mass transfer, and consistent with the second principle of thermodynamics. The second step is to propose a Finite Volume numerical method adapted to the approximation of this model, and in the presence of shock waves. Numerical test cases are given in order to verify the properties of the considered schemes, attention is paid to the consistency between the numerical results and the expected physical behavior of the simulated flow


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