Étude numérique et expérimentale de la dynamique des phénomènes de convection naturelle au sein de condenseur

Numerical and Experimental Study of the Dynamics of Phenomena Within a Condenser

• Auteur / Autrice : Marie-Océane Seguin
• Direction : Frédéric Plourde, Matthieu Fénot, Dominique Couton, Vincent Melot, Damien Thuaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 19/03/2024
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Naval Group
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Lemenand, Christophe Marvillet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Ruyer-Quil, Valérie Sartre
• DOI : 10.70675/856ac4b3zb5b7z4034za69fz22d45d4c1fd7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Changement d'état (physique)

Condensation

Échangeurs de chaleur

Écoulement diphasique

Phénomènes transitoires

Simulation par ordinateur

Transfert de chaleur

Mots clés libres

Modélisation numérique

Étude expérimentale

Numerical modelling

Experimental study

Résumé

Le condenseur constitue un des composants principaux de la boucle de propulsion des navires conçus par Naval Group. Les phénomènes physiques associés à ses écoulements interne et externe sont complexes et multiples notamment en régime transitoire. L’estimation de l’évolution temporelle des grandeurs d’intérêt lors de phases de changement d’allure du navire ou d’incidents de perte de refroidissement est primordiale. En effet, elle permet le dimensionnement des composants annexes au condenseur (pompes, vannes, etc.) et la détermination des scénarios optimaux à mettre en place en cas d’avarie. Si de nombreux travaux existent relativement au fonctionnement du condenseur en régime stationnaire, les régimes transitoires sont eux peu documentés. C’est dans ce contexte que s’inscrit cette thèse dont l’objectif est le développement d’un modèle de calcul qualifié à partir de données d’essais permettant l’étude des phénomènes observés en régime transitoire. Un modèle de calcul basé sur une modélisation 0D de l’écoulement vapeur extérieur-tube et 1D de l’écoulement liquide intérieur-tube est développé. Il s’appuie, entre autres, sur l’utilisation de corrélations empiriques permettant la prise en compte de la convection forcée à l’intérieur des tubes et de la condensation à l’extérieur du faisceau. La qualification de ce modèle repose sur une comparaison à des résultats numériques et expérimentaux. Une boucle diphasique a notamment été mise en place au laboratoire. Ce dispositif est composé de différents éléments dont le principal est un condenseur constitué d’un faisceau de 5 tubes. La comparaison des résultats numériques et expérimentaux a dans un premier temps permis de choisir les corrélations permettant la meilleure modélisation des phénomènes. Le modèle de calcul développé a ensuite pu être validé en régimes stationnaire (écarts inférieurs à 20% sur la pression dans le condenseur) et transitoire (bonne estimation de la dynamique d’évolution de la pression). De même, l’impact des phénomènes transitoires tels que les inerties thermiques et la compression de la phase vapeur a pu être mis en avant au travers d’études de sensibilité. Enfin, l’application du modèle de calcul à un condenseur industriel a également montré de bons résultats.

The condenser is one of the main components in the propulsion loop of ships designed by Naval Group. The physical phenomena associated with its internal and external flows are complex and multiple, particularly in transient conditions. It is therefore essential to estimate the temporal evolution of the variables of interest when the ship's speed changes or when there is a loss of cooling. It enables the sizing of the condenser's ancillary components (pumps, valves, etc) and the determination of the optimum scenarios to be implemented in the event of damage. While a great deal of work has been done on condenser operation in steady-state conditions, little has been done on transient conditions. The aim of this thesis is to develop a qualified calculation model based on test data to analyze transient phenomena. A calculation model based on 0D modelling of the external vapour flow and 1D modelling of the internal liquid flow has been developed. It is based on the use of empirical correlations that enable forced convection inside the tubes and condensation outside the bundle to be considered. The qualification of this model is based on a comparison with numerical and experimental results. A two-phase loop has been set up in the laboratory. This device is made up of various elements, the main one being a condenser consisting of a bundle of 5 tubes. By comparing the numerical and experimental results, it was first possible to select the correlations that would provide the best modelling of the phenomena. The calculation model developed was then validated in steady state (deviation of less than 20% for the pressure in the condenser) and transient (good estimate of the dynamics of pressure evolution) regimes. The impact of transient phenomena such as thermal inertia and vapour phase compression was also highlighted through numerical studies. Finally, the application of the calculation model to an industrial condenser showed good results as well.