L'Etude de transfert des particules solide à travers des matériaux poreux et son effet sur le refroidissement d'une paroi poreuse

Study of solid particles' transport through porous materials and its effect on the cooling of a porous wall

• Auteur / Autrice : Safaa Akridiss
• Direction : Khaled Chetehouna, Nicolas Gascoin, Moulay Saddik Kadiri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédès
• Date : Soutenance le 28/10/2019
• Etablissement(s) : Bourges, INSA Centre Val de Loire en cotutelle avec Université Hassan Ier (Settat, Maroc)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire)
• Jury : Président / Présidente : Nabil Hmina
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Khaled Chetehouna, Nicolas Gascoin, Mourad Korichi, Kaoutar Khallaki, Mohamed Wakrim, Eddy El Tabach, Moulay Saddik Kadiri, Nabil Hmina
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mourad Korichi, Kaoutar Khallaki, Mohamed Wakrim

Mots clés

Mots clés libres

Echange thermique

Particules en suspension

Cokage

Heat exchange

Suspension particles

Coking

Résumé

Le refroidissement par effusion combiné au refroidissement régénératif est l’une des meilleures techniques utilisées afin de refroidir les chambres de combustion de statoréacteur dont la haute température peut dégrader les parois de la chambre. Toutefois, la pyrolyse du carburant engendre la formation de dépôts carbonés à l’intérieur du matériau poreux utilisé pour le refroidissement. Le cokage va avoir des répercussions sur l’écoulement du carburant au sein de la paroi poreuse. En bouchant les pores du matériau poreux, le coke s’oppose à l’écoulement du liquide de refroidissement, ce qui influe sur les transferts thermiques conductif et convectif. La détérioration du refroidissement va engendrer l’augmentation de la température du carburant et donc favoriser le craquage thermique et l’apparition de particules de coke conduisant à l’obstruction totale de la paroi qui ne serait alors plus refroidie. Cette situation doit absolument être évitée.Afin de mieux comprendre l’effet du cokage sur le matériau poreux, il était nécessaire de comprendre l’effet des différents paramètres sur le transport des particules solides à travers des matériaux poreux. La perméabilité est l’un des indicateurs permettant de surveiller la modification du débit du fluide de refroidissement des parois de la chambre de combustion. Avoir un outil (numérique et/ou expérimental) permettant de prédire ces variations présente un intérêt pratique et théorique pour une meilleure gestion des phénomènes chimiques et physiques complexes et pour une meilleure compréhension de l’efficacité de la technique de refroidissement par transpiration.Dans cette étude, un modèle de réseaux de neurones artificiels (RNA) a été développé pour estimer les changements transitoires de la perméabilité de Darcy d’un matériau métallique lors de conditions complexes de pyrolyse de combustible (n-dodécane) en fonction de 4 paramètres (temps, température, débit et pression d’entrée du fluide). La validation a montré d’excellentes performances de ce modèle pour la prédiction de la variation de la perméabilité de Darcy d’un matériau métallique lors de conditions de pyrolyse. La performance du modèle RNA est comparée au modèle de régression linéaire multiple. Une étude expérimentale (création d’un nouveau banc d’essai) a été également conduite afin de souligner l’influence de différents paramètres (tel que le débit massique d’écoulement, la quantité des particules présente dans le fluide, diamètre moyen des particules, le temps d’écoulement…) sur le bouchage d’autres types de matériau. En effet, le banc d’essai créé 6permet d’étudier le transfert d’un mélange (eau et microparticules) à travers un milieu poreux placé dans une cellule de perméation. Les différentes mesures (pression à l’entrée et à la sortie de la cellule de perméation, débit du mélange etc.) ont permis de calculer la variation de la perméabilité d’un matériau (Bronze) pour différentes conditions opératoires. La perméabilité a été aussi calculée en utilisant la méthode de Kozeny-Carman qui utilise la masse des particules accumulées à l’intérieur du matériau poreux. Ces deux méthodes ont été ensuite comparées.

Transpiration cooling combined to regenerative cooling is one of the best techniques used to cool ramjet combustion chambers which are subject to high temperatures that can degrade the walls of the chamber. However, the pyrolysis of the fuel causes the appearance of carbon deposits within the porous material used for cooling. This coking activity affects the flow of fuel within the porous wall. By plugging the pores of the porous material, the coke opposes the flow of the coolant, which influences the conductive and convective heat transfers. The deterioration of the cooling causes the increase of the temperature of the fuel and thus enhances the thermal cracking and the appearance of coke particles leading to the total obstruction of the wall which would then no longer be cooled. This situation must absolutely be avoided.In order to better understand the effect of coking on the porous material, it was necessary to understand the effect of different parameters on the transport of solid particles through porous materials. Permeability is one of the indicators to monitor the change in the flow rate of the fluid cooling the walls of the combustion chamber. Having a tool (numerical and / or experimental) to predict these variations is of a practical and theoretical interest to a better management of complex chemical and physical phenomena and a better understanding of the efficiency of transpiration cooling technique.In this study, an Artificial Neural Networks (ANN) model was developed to estimate the transient changes in Darcy's permeability of a metallic material under complex conditions of fuel (n-dodecane) pyrolysis as a function of 4 parameters : time, temperature, flow rate and fluid inlet pressure. The validation of the model showed its excellent performance for predicting the variation of Darcy permeability of the metallic material under pyrolysis conditions (R2> 0.986). The performance of the RNA model is compared to the multiple linear regression model.Furthermore, an experimental study (development of a new test bench) was also conducted to underline the influence of various parameters such as the mass flow rate, the amount of particles present in the fluid, the mean diameter of the particles and the flow time on the clogging of the material. Actually, the created test bench makes it possible to study the transfer of a mixture (water and microparticles) through a porous medium placed in a permeation cell. The various measurements (pressure at the inlet and at the outlet of the permeation cell, flow of the mixture, etc.) made it possible to calculate the variation of the permeability of a material (Bronze) for different operating conditions. The permeability was also calculated using Kozeny-Caramn equation using the mass of accumulated particles inside the porous medium and the two methods were compared.The results of these experiments were exploited thereafter to study numerically, using OpenFOAM open source software, the deterioration of cooling across the material after each coking experiment. A solver based on the icoFoam library is developed by introducing flow equations in porous media as well as energy equations in the case of the absence of thermal equilibrium. The effect of the application of a heat flux surrounding the permeation cell is then studied and the effect of the permeability reduction on the heat exchange is presented. This study is completed by an overall sensitivity analysis in order to investigate the parameters having more effect on the temperature of the fluid and the solid during a flow in a porous medium.This work shall be used by aerospace engineers in order to study the efficiency of the transpiration cooling technique.