Simulations numériques directes d'écoulements denses fluide-particules

Direct numerical simulations of flow in dense fluid-particle systems

• Auteur / Autrice : Mohamed Salim Hamidi
• Direction : Françoise Bataille, Adrien Toutant
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 07/02/2024
• Etablissement(s) : Perpignan
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (Perpignan)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Bellettre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Françoise Bataille, Adrien Toutant, Samuel Mer, Gilles Flamant, Renaud Ansart
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Abide, Sylvain Serra

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse numérique

Milieux granulaires

Mécanique des fluides

Simulation par ordinateur

Écoulement diphasique

Turbulence

Mots clés libres

Ecoulement diphasique granulaire

Méthode Numérique

Mécanique des fluides numériques

Computational fluid dynamics

Front-Tracking

Multi-Phase granular flow

Résumé

Les écoulements de fluide particules jouent un rôle important dans une variété d’applications industrielles, particulièrement dans le contexte des centrales solaires à concentration de troisième génération, où ils peuvent être utilisés à la fois comme fluide caloporteur et moyen de stockage thermique. Cependant, l’étude de ces écoulements présente des défis considérables en raison de la complexité des interactions multi-échelles qui les régissent. La simulation numérique, et en particulier les méthodes de Simulation Numérique Directe (DNS) où la résolution est inférieure au diamètre des particules, émerge comme un outil prometteur pour mieux comprendre ces écoulements. L’augmentation des moyens de calcul et la performance des algorithmes numériques ont rendu les simulations de lits fluidisés avec particules résolues de plus en plus réalisablespour des études à des échelles représentatives. Dans cette thèse, nous présentons une méthode numérique basée sur la formulation mono-fluide. Cette méthode combine la méthode de suivi de front avec la méthode de pénalisation visqueuse pour simuler les comportements des écoulements particulaires. La méthode de suivi de front utilise un système de maillage double. Ce système suit efficacement les interfaces solides en mouvement, représentées par un maillage mobile, à travers une grille de simulation fixe, garantissant ainsi la précision dans la représentation des mouvements des particules. La méthode de pénalisation visqueuse, quant à elle, joue un rôle essentiel pour assurer la condition de non-déformation à l’intérieur des particules. Cela est réalisé en traitant le fluide à l’intérieur des particules comme un milieu extrêmement visqueux, permettantainsi à la simulation de reproduire de manière réaliste le comportement des particules solides dans diverses conditions. Pour les interactions à courte distance entre les particules, un modèle de collision combiné est utilisé. Ce modèle prend habilementen compte à la fois la dissipation visqueuse et la dissipation solide, principalement dues aux effets de lubrification et aux contacts inélastiques entre les particules, respectivement. L’approche nuancée de ce modèle permet des simulations plus naturelles des interactions entre particules, réduisant le nombre de paramètres numériques à utiliser dans le modèle. L’algorithme résultant est implémenté dans TrioCFD un code open-source conçu pour le calcul parallèle massif. La précision et la fiabilité du code de simulation ont été testées contre des références bien établies dans la littérature. De plus,la thèse inclut une simulation paramétrique d’un lit fluidisé à l’échelle de laboratoire, comparant la précision de l’algorithme aux résultats expérimentaux et numériques. Ces comparaisons démontrent que l’algorithme proposé reproduit correctement lesréférences établies.

Fluid particle flows hold significant importance in a variety of industrial applications, particularly in the context of third-generation concentrated solar power plants, where they can be used as both a heat transfer fluid and a storage medium. However, studying these flows presents considerable challenges due to the complex multiscale interactions governing them. Numerical simulation, particularly Direct Numerical Simulation (DNS) methods where the resolution is smaller than the particle diameter, emerges as a promising tool for better understanding these flows and aiding in the design of pilot-scale industrial applications. The increase in computational capabilities and the performance of numerical algorithms has made the particle resolved simulations of fluidized beds increasingly feasible for representative studies.In this thesis, we present a numerical method based on the one-fluid formulation. This method combines the front tracking method with the viscous penalty method to simulate fluid particle flow behaviors. The front tracking method employs a dual mesh system. This system effectively tracks the moving solid interfaces, represented as a moving mesh, across a fixed simulation grid, ensuring accuracy in representing the particle movements. The viscous penalty method, on the other hand, plays a pivotal role in ensuring the fidelity of rigid body motion within the particles. This is achieved by treating the fluid within the particles as an extremely viscous medium, thereby enabling the simulation to realistically mimic the behavior of fluid particles under various conditions.For short-term interactions between particles, a combined collision model is used. This model adeptly accounts for both viscous dissipation and solid dissipation, primarily due to lubrication effects and inelastic contacts between particles, respectively. The nuanced approach of this model allows for more natural simulations of particle interactions, reducing the reliance on arbitrary numerical parameters often seen in other models cited in the literature. The algorithm is implemented in TrioCFD an open-source framework designed for massively parallel computing.The accuracy and reliability of the simulation code were rigorously tested against well-established benchmarks in the literature. Furthermore, the thesis includes a parametric simulation of a lab-scale fluidized bed, comparing the accuracy of the algorithm against both experimental and numerical results. These comparisons demonstrate that the proposed algorithm aligns well with established benchmarks and exhibits good accuracy in its predictions.