Simulations CFD hybrides d'écoulements diphasiques dans un séparateur d'écoulement en ligne

Hybrid CFD simulations of two-phase flows in inline flow splitters

• Auteur / Autrice : Hanane Atmani
• Direction : Dominique Legendre, Rémi Zamansky
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 15/02/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Jury : Président / Présidente : Uwe Hampel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Legendre, Rémi Zamansky, Uwe Hampel, François-Xavier Demoulin, Stéphane Vincent, Maria Vittoria Salvetti, Luis Portela, Éric Lamballais
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François-Xavier Demoulin, Stéphane Vincent

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation des grandes échelles

Séparation (technologie)

Écoulement diphasique

Modélisation CFD

Mots clés libres

CFD

Séparation

Écoulement diphasique

Force centrifuge

IBM

LES

VoF

Suivi lagrangien

CFD

Inline fluid separation

Swirl

IBM

LES

VoF

Lagrangian tracking

Résumé

La séparation en ligne des écoulements diphasiques est une nouvelle technologie qui commence à intéresser les industries pétrolières grâce aux avantages qu'elle présente. Lé séparateur est composé d'un obstacle installé à l'intérieur du pipeline et muni d'ailettes mettant en rotation l'écoulement ce qui produit une force centrifuge jusqu'à 100 fois l'accélération gravitationnelle et permettant de séparer deux phases en se basant sur la différence entre leurs densités. La phase lourde est poussée vers la paroi du pipeline et la phase légère reste au centre pour etre récuperée par la suite à la sortie du séparateur par un tube collecteur. Ce sujet de thèse , qui s'inscrit dans le cadre d'un projet européen TOMOCON, a pour objectif de simuler numériquement ce processus de séparation en utilisant le code CFD JADIM développé au sein de l'IMFT. Étant donné que le rapport entre l'échelle du dispositif de séparation et celle de la bulle/goutte à récupérer est de l'ordre de 1000, une méthode numérique hybride combinant à la fois un schéma Eulerien et un autre Lagrangien s'avère la solution numérique adéquate à un tel problème. Tout d'abord, compte tenu de la complexité de la géometrie du séparateur, Immersed Boundary Method (IBM) est utilisé pour résoudre l'interaction fluide/structure et simuler les parties solides du séparateur sans avoir recours à un maillage complexe, le modèle dynamique mixte de Smagorinsky du solver Large Eddy Simulation (LES) est utilisé pour la modélisation de la turbulence vu que l'écoulement est fortement tubulent. Le solver Lagrangien permet le suivi de la phase dispersée jusqu'à ce que l'accumulation des bulles/gouttes après séparation ait lieu, et c'est ainsi qu'on commute à la méthode Volume of Fluid (VoF) pour présenter les deux phases et simuler le coeur formé. Et pour assurer une bonne interaction entre ces diverses méthodes CFD, des modèles hybrides sont proposées pour LES/IBM, IBM/Lagrangian tracking et Lagrangian tracking/VoF permettant ainsi la simulation du processus de séparation avec un cout CPU raisonable. Les paramètres physiques contrôlant la séparation sont ensuite conclus à partir des simulations numériques et des comparaisons sont faites avec les résultats expérimentaux issus de TU Delft, HZDR et de TUL.

Inline fluid separation using a swirl element is a recent technology for oil/gas extraction. The static swirl element, installed inside the pipeline, is able to transform part of the arriving axial momentum into an azimuthal momentum when the flow goes through its blades. This produces centrifugal forces up to 100 times the gravitational acceleration separating then the phases based on their densities, the heavy phase is pushed next to the wall and the light one to the centre to be recovered at the outlet of the separator by a pick-up tube. The current study is part of a European project TOMOCON aims at developing CFD methods in the IMFT inhouse code JADIM to simulate the two phase flow separation. Since the scales are ranging from 1 m the length of the device (pipe, swirl element) to 1 mm which is the size of the smallest bubbles and drops, the numerical strategy needs to combine Eulerian and Lagrangian schemes. First, taking into account the complexity of the geometry, the pipe, the swirl element and the pick-up tube are simulated using Immersed Boundary Method (IBM) for solid/fluid interaction on a regular Cartesian mesh. The flow being highly turbulent that Direct Numerical Simulation (DNS) is not possible, Large Eddy Simulation (LES) is considered and the turbulence is modeled using mixed dynamic Smagorinsky model. Then the Lagrangian solver is used to track the dispersed phase (droplets/bubbles). Once the separation is done and the bubbles/droplets accumulation takes place leading to large volume of gas/oil compared to the mesh size, we switch to the Volume of Fluid (VoF) method to simulate the core inside the heavy phase. Hybrid models to combine LES/IBM, IBM/Lagrangian tracking et Lagrangian tracking/VoF are proposed and validated to enable the simulation of the inline fluid separation process. The numerical results help to fix the physical parameters influencing the separation and controlling the efficiency and validate models with experimental data from TU Delft, HZDR and TUL.