Modélisation des interactions fluide-milieu granulaire par couplage CFD-DEM, incluant les transferts thermiques

par Sherko Ahmad Flamarz Al-Arkawazi

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Patrice Coorevits et de Christophe Marie.

Soutenue en 2014

à Amiens , dans le cadre de École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens) , en partenariat avec Eco-procédés, optimisation et aide à la décision (Amiens) (laboratoire) .

Le jury était composé de Patrice Coorevits, Christophe Marie, Khashayar Saleh, Sébastien Rémond, Philippe Dufrénoy, Aïssa Ould Dris, Karim Benhabib.

Les rapporteurs étaient Khashayar Saleh, Sébastien Rémond.

mots clés

• Couplage CFD-MED
• Fluidisation -- Simulation par ordinateur
• Méthode des éléments discrets
• Mécanique des fluides
• Porosité

Résumé

Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à l'étude du comportement hydrodynamique et thermique des lits fluidisés par simulations numériques. Au moyen d'un couplage entre la méthode des éléments discrets (DEM) et la mécanique des fluides numérique (CFD), nous modélisons les interactions entre un fluide et un milieu granulaire. L'interaction est traduite à travers une force de traînée, et l'effet de la concentration locale en particules sur la force de traînée est pris en compte par une fonction de porosité. Les résultats de simulations sur un lit fluidisé sont commentés et comparés à des résultats expérimentaux, notamment en termes de hauteur d'expansion du lit fluidisé. L'influence des coefficients de frottement et de restitution des grains sur le comportement macroscopique du lit est également étudiée. À titre d'exemple, différentes géométries de colonnes de fluidisation sont modélisées. Pour chacune d’elles, les résultats des simulations sont analysés, notamment grâce à un indice de fluidisation. Ces exemples illustrent la possibilité d'optimiser des systèmes complexes d'écoulement granulaires par la méthode de simulation couplée CFD–DEM présentée dans ce travail. Nous avons proposé une approche thermique (conduction-convection) basée sur la méthode des volumes finis pour calculer le transfert de chaleur fluide-particules et particules-particules. Les effets des dissipations par le choc et la friction ont été également pris en compte et analysés. Les résultats des validations montrent que l'approche thermique a été bien intégrée avec le modèle de couplage CFD–DEM, et a prouvé son efficacité qu'il sagisse d'un lit fixe ou fluidisé

Titre traduit

Modeling the interactions between fluid-granular medium by coupling CFD-DEM, including heat transfer

Résumé

In this work, we are interested in the study of hydrodynamic and thermal behavior of fluidized beds by numerical simulations. By means of a coupling between the discrete element method (DEM) and computational fluid mechanics (CFD), we are modeling the interaction between a fluid and a granular medium. The interaction is translated through a drag force, and the effect of local concentration of the particles on the drag force is taken into account by a porosity function. Simulation results on a fluidized bed are discussed and compared with experimental ones, especially in terms of height of expansion of the fluidized bed. The influence of friction and restitution coefficients on the macroscopic behavior of the bed is also studied. For example, different geometries of fluidizing columns are modeled. For each of them, simulation results are analyzed, through a fluidization index. These examples illustrate the ability of the coupling CFD–DEM method presented in this work to optimize complex granular flow. We proposed a thermal approach (conduction-convection) based on the finite volume method to calculate the heat transfer between fluid-particle and particle-particle. The effects of dissipation by shock and friction were also taken into account and analyzed. The validation results depicted that the thermal model has proven its effectiveness whether on a fixed or fluidized bed