Simulations numériques directes d'un écoulement dense fluide/particules

par Mohamed salim Hamidi

Projet de thèse en Sciences de l'Ingénieur

Sous la direction de Françoise Bataille et de Adrien Toutant.

Thèses en préparation à Perpignan , dans le cadre de École doctorale Énergie environnement , en partenariat avec Laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (Perpignan) (laboratoire) et de TRECS - Thermophysique, Rayonnement et Écoulement pour les Centrales Solaires (equipe de recherche) depuis le 30-09-2018 .


  • Résumé

    Objectifs Les objectifs de ce projet de thèse sont les suivants (ils sont présentés par ordre chronologique) : 1. Développement d'une méthode de simulation numérique directe utilisant la méthode front-tracking du logiciel TrioCFD, 2. Réalisation de simulations numériques directes anisothermes d'un écoulement dense fluide/particules, 3. Etude de l'impact sur les transferts thermiques de la non-sphéricité, du dégazage et de la distribution de tailles des particules. Méthode La méthode front-tracking du logiciel TrioCFD est une méthode puissante pour la simulation numérique directe des écoulements diphasiques. Elle utilise un maillage mobile de surface qui représente explicitement les interfaces. Elle permet donc de décrire précisément la géométrie des particules ainsi que les interactions entre le fluide et les particules. En revanche, cette méthode initialement développée pour les écoulements liquide/gaz ne permet pas à l'heure actuelle de décrire les interactions particules/particules (collision). Il s'agit donc dans un premier temps d'implémenter dans le code TrioCFD les lois de collision puis de valider leur implémentation. Pour simuler des écoulements denses fluide/particules en représentant explicitement les particules, on a recours au calcul haute performance et on utilise plusieurs centaines de processeurs. Dans une publication récente, une simulation numérique directe d'un écoulement et des transferts de chaleur d'un système fluide/particules a été réalisée [1]. Dans cette étude, la méthode utilisée impose des particules sphériques. Pour valider la méthode front-tracking pour la simulation de particules solides, il s'agit dans un premier temps de reproduire cette simulation de la littérature. Lors du traitement de particules réactives, les particules ont des formes particulièrement aplaties et avec des variations de tailles importantes. Par ailleurs, lors de la réaction, les particules dégazent. On s'attend à ce que ce dégazage modifie la dynamique et la thermique de l'écoulement mais son impact n'a pas été quantifié.La simulation de référence sera donc reproduite avec des particules non-sphériques, une distribution de tailles des particules et en tenant compte du dégazage. La prise en compte de chaque phénomène sera faite séparément afin de quantifier leur importance relative. Les études numériques antérieures réalisées au laboratoire reposent sur l'utilisation de simulations moyennées où les particules sont représentées par un taux de présence par maille. Cette représentation plus macroscopique est appelée Euler-Euler. Les interactions fluide/particules et particules/particules ne sont pas explicitement décrites. Des modèles doivent être ajoutés pour tenir compte de l'effet de ces interactions sur l'écoulement. La confrontation des simulations réalisées avec l'approche Euler-Euler aux résultats expérimentaux montre des écarts importants qui nécessitent d'améliorer les modèles. On propose ici de confronter les résultats obtenus avec l'approche Euler-Euler à ceux obtenus avec la simulation numérique directe. Cette confrontation sera réalisée dans chacune des configurations (particules sphériques puis non sphériques, mono puis poly disperses) afin d'identifier le phénomène prépondérant qui nécessite le développement de nouveaux modèles.

  • Titre traduit

    Direct Numerical Simulations of flow in dense fluid–particle systems


  • Résumé

    Objectives The objectives of this thesis project are as follows (they are presented in chronological order): 1. Development of a direct numerical simulation method using the front-tracking method in the TrioCFD software, 2. Realization of anisothermal direct numerical simulations of a dense fluid / particle flow, 3. Study of the impact on thermal transfers of non-sphericity, outgassing and particle size distribution. Method The front-tracking method of TrioCFD software is a powerful method for direct numerical simulation of two-phase flows. It uses a mobile surface mesh that explicitly represents the interfaces. It allows to precisely describe the geometry of particles and the interactions between fluid and particles. On the other hand, with this method initially developed for liquid/gas flows, it is not currently possible to describe particle / particle interactions (collision). It is therefore a first step to implement in the TrioCFD code the collision laws and validate their implementation. To simulate dense fluid/particle flows by explicitly representing the particles, High performance computing is used and several hundred processors are used. In recent publication, a direct numerical simulation of a flow and heat transfer of a fluid / particle system has been realized [1]. In this study, the method used imposes spherical particles. In order to validate the front-tracking method for the simulation of solid particles, this simulation of the literature will be reproduced. During the treatment of reactive particles, the particles have particularly flattened shapes and with variations of important sizes. Moreover, during the reaction, the particles degass. It is expected that this degassing alters the dynamics and the thermal flow but its impact has not been quantified. The reference simulation will be reproduced with non-spherical particles, a distribution of particle sizes and taking into account outgassing. Each phenomenon will be taking into account separately in order to quantify their relative importance. Previous numerical studies conducted in the laboratory rely on the use of averaged simulations where the particles are represented by a presence rate per mesh. This representation more macroscopic is called Euler-Euler. Fluid / particle and particle / particle interactions are not explicitly described. Models need to be added to account for the effect of these interactions on the flow. The comparison of the simulations carried out with the Euler-Euler approach to experimental results shows significant gaps that require improvement of the models. We proposes to compare the results obtained with the Euler-Euler approach to those obtained with the direct numerical simulation. This confrontation will be carried out in each of the configurations (spherical and then non-spherical particles, mono then poly-dispersed) to identify the phenomenon preponderant that requires the development of new models.