Modélisation et simulation numérique des écoulements diphasiques, turbulents au sein des réacteurs chimiques PDF Download
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Author: CHAFIA.. BABA AISSA Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 219
Book Description
Les colonnes à bulles offrent un domaine d'application aux propriétés de mélange par agitation des bulles. La construction de ce type de réacteurs est relativement simple, en revanche, la structure des écoulements est très complexe et demeure une contrainte rendant leur dimensionnement problématique avec leur corollaire de sur ou sous dimensionnement entrainant des pertes de rendement, de réactifs introduits dans le réacteur. C’est la raison pour laquelle les méthodes traditionnelles utilisées en génie chimique semblent de plus en plus supplées par une approche qui s'appuie sur la mécanique des fluides numérique pour explorer localement la structure des écoulements. L’approche lagrangienne et l'approche eulérienne sont les deux méthodes utilisées. La méthode lagrangienne considère la phase continue au moyen du modèle exact de Navier Stokes diphasique, alors que la phase dispersée est décrite au moyen de sa trajectoire. Le couplage des deux phases s'effectue par les forces d'interaction au niveau de l'interface. L’approche eulérienne considère chaque phase par un système d'équations de Navier Stokes, le terme source relatif aux interactions au niveau de l'interface sert à coupler les deux phases. Le but que nous nous proposons d'atteindre est une certaine maitrise de la simulation numérique des écoulements au sein des réacteurs diphasiques à bulles. Pour ce faire les simulations sont comparées avec les résultats publiés. Deux cas tests sont proposés pour montrer la capacité du code utilisé à donner des résultats à des conditions différentes de distribution des bulles. Distribution sur toute la colonne, et distribution partielle de gaz. Nous considérons trois types de réacteurs. Le premier est une colonne à bulle de grand diamètre dont les résultats obtenus sont comparés avec les travaux portant sur la simulation numérique utilisant le modèle lagrangien. L’analyse comparative concerne les deux types de modèles. Le deuxième réacteur est une colonne à bulle dont le rapport hauteur sur diamètre est supérieur à dix. Les résultats sont comparés avec les mesures expérimentales, essentiellement la vélocimétrie à film chaud. Dans une troisieme série de simulations nous avons considéré un réacteur du type gazosiphon utilisé. Le but de l'approche est de comparer le code que nous avons utilisé avec un autre type de code de mécanique des fluides numérique. Les efforts pour assurer le succès de cette approche doivent porter sur la modélisation mathématique des phénomènes de coalescence et de fragmentation des bulles et leur introduction au sein du modèle.
Author: CHAFIA.. BABA AISSA Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 219
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Les colonnes à bulles offrent un domaine d'application aux propriétés de mélange par agitation des bulles. La construction de ce type de réacteurs est relativement simple, en revanche, la structure des écoulements est très complexe et demeure une contrainte rendant leur dimensionnement problématique avec leur corollaire de sur ou sous dimensionnement entrainant des pertes de rendement, de réactifs introduits dans le réacteur. C’est la raison pour laquelle les méthodes traditionnelles utilisées en génie chimique semblent de plus en plus supplées par une approche qui s'appuie sur la mécanique des fluides numérique pour explorer localement la structure des écoulements. L’approche lagrangienne et l'approche eulérienne sont les deux méthodes utilisées. La méthode lagrangienne considère la phase continue au moyen du modèle exact de Navier Stokes diphasique, alors que la phase dispersée est décrite au moyen de sa trajectoire. Le couplage des deux phases s'effectue par les forces d'interaction au niveau de l'interface. L’approche eulérienne considère chaque phase par un système d'équations de Navier Stokes, le terme source relatif aux interactions au niveau de l'interface sert à coupler les deux phases. Le but que nous nous proposons d'atteindre est une certaine maitrise de la simulation numérique des écoulements au sein des réacteurs diphasiques à bulles. Pour ce faire les simulations sont comparées avec les résultats publiés. Deux cas tests sont proposés pour montrer la capacité du code utilisé à donner des résultats à des conditions différentes de distribution des bulles. Distribution sur toute la colonne, et distribution partielle de gaz. Nous considérons trois types de réacteurs. Le premier est une colonne à bulle de grand diamètre dont les résultats obtenus sont comparés avec les travaux portant sur la simulation numérique utilisant le modèle lagrangien. L’analyse comparative concerne les deux types de modèles. Le deuxième réacteur est une colonne à bulle dont le rapport hauteur sur diamètre est supérieur à dix. Les résultats sont comparés avec les mesures expérimentales, essentiellement la vélocimétrie à film chaud. Dans une troisieme série de simulations nous avons considéré un réacteur du type gazosiphon utilisé. Le but de l'approche est de comparer le code que nous avons utilisé avec un autre type de code de mécanique des fluides numérique. Les efforts pour assurer le succès de cette approche doivent porter sur la modélisation mathématique des phénomènes de coalescence et de fragmentation des bulles et leur introduction au sein du modèle.
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UNE METHODE NUMERIQUE DE VOLUMES FINIS A ELEMENTS QUADRILATERES QUELCONQUES A ETE MISE AU POINT POUR RESOUDRE LE SYSTEME DES EQUATIONS MOYENNEES (MODELE A DEUX FLUIDES) DECRIVANT UN ECOULEMENT A BULLES EAU-AIR. ELLE PERMET DE TRAITER DES CONFIGURATIONS BIDIMENSIONNELLES OU AXISYMETRIQUES, EN REGIME INSTATIONNAIRE. EN OUTRE, UNE METHODE PERMETTANT DE CALCULER NUMERIQUEMENT LA DISTRIBUTION DU TEMPS DE SEJOUR D'UN REACTEUR CHIMIQUE SERA PRESENTEE. LES PHENOMENES TURBULENTS SONT MODELISES PAR UN MODELE CAPABLE DE DECRIRE SIMULTANEMENT DES TURBULENCES INTRINSEQUES ET DES PSEUDO-TURBULENCES. LES EFFETS DE COALESCENCE ET DE FRAGMENTATION DES BULLES SONT PREDITS A PARTIR D'UNE EQUATION DE RELAXATION PROPOSEE PAR COOK ET HARLOW. DIFFERENTES LOIS DE FERMETURE CONCERNANT LES TERMES DE TRAINEE, DE MASSE AJOUTEE, DE PORTANCE ET DE DESEQUILIBRE EN PRESSION SERONT PRESENTEES. LE SCHEMA NUMERIQUE UTILISE EST SEMI-IMPLICITE SEMBLABLE AU SCHEMA DE ICED-ALE. LE CALCUL SUR UN PAS DE TEMPS SE DEROULE EN DEUX ETAPES ESSENTIELLES. LA PREMIERE CONSISTE A RESOUDRE LES EQUATIONS DU MOUVEMENT PAR UNE PROCEDURE LAGRANGIENNE, LA SECONDE A REPLACER LES NUDS A LEUR EMPLACEMENT INITIAL A PARTIR DES BILANS PAR MAILLE DE TOUTES LES QUANTITES CALCULEES. ON PRESENTERA DES RESULTATS NUMERIQUES ET DES COMPARAISONS D'UNE PART SUR DES ECOULEMENTS MODELES MONOPHASIQUES ET DIPHASIQUES (CAVITE REGULARISEE, ECOULEMENT A MARCHE, CANAL OBSTRUE, ETC.), D'AUTRE PART SUR UN REACTEUR CHIMIQUE INDUSTRIEL A GEOMETRIE COMPLEXE
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[Résumé en français] La simulation numérique de réacteurs industriels promet de devenir un outil précieux aidant à prospecter de nouvelles technologies de mélange, à dimensionner et à optimiser les conditions de fonctionnement du réacteur. Ces calculs deviennent difficiles dans le cas de réactions rapides (polymérisations anioniques, précipitations) où existe un fort couplage entre la réaction chimique et le mélange. Ce travail de thèse a pour but d'évaluer et de valider la simulation d'écoulements réactifs pour des applications de génie chimique avec une méthode que nous avons choisie pour sa capacité à tenir compte des interactions entre processus de mélange turbulent et réactions chimiques rapides. La méthode sélectionnée est une méthode basée sur la résolution numérique des équations de Navier-Stokes en milieu turbulent et l'équation de transport de la fonction de densité de probabilité jointe de la composition (PDF) à l'aide d'un algorithme de Monte-Carlo. L'évaluation s'est faite sur un réacteur de précipitation semi-batch de type Taylor-Couette. Chaque étape du calcul a été validée expérimentalement. Au terme de ce travail, il a été montré que l'emploi de ce type d'approche pour le calcul d'un réacteur industriel est hasardeux et délicat. Il demande une validation de l'écoulement, le calage de 2 constantes de modélisation et la connaissance précise des cinétiques de réaction. Enfin, l'utilisation d'un algorithme de type Monte-Carlo engendre un bruit numérique qui selon le type d'écoulement peut nuire à la fiabilité des résultats. Le cas traité n'a pas donné des résultats totalement conformes à l'expérience. La méthode numérique utilisée n'est pas pour autant remise en question car le cas traité était par nature délicat
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L'ECOULEMENT TURBULENT A L'INTERIEUR D'UNE CHAMBRE DE COMBUSTION EST MODELISE PAR UN ASSEMBLAGE DE REACTEURS CHIMIQUES ELEMENTAIRES. A CETTE MODELISATION IL PEUT ETRE ASSOCIE UN PROGRAMME DE CINETIQUE CHIMIQUE PERMETTANT D'OBTENIR LES PERFORMANCES GLOBALES (RENDEMENT, PLAGES DE STABILITE) DE LA CHAMBRE ETUDIEE. CE DERNIER POINT N'EST PAS TRAITE ICI. DANS LA PREMIERE PARTIE, LES GRANDEURS MOYENNES DE L'ECOULEMENT SONT ISSUES DE LA RESOLUTION DES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES MOYENNEES. L'UTILISATION D'UN TRACEUR NUMERIQUE ET LE DEVELOPPEMENT DE NOUVELLES TECHNIQUES D'IDENTIFICATION PERMETTENT UNE MODELISATION DE L'ECOULEMENT PAR UN ASSEMBLAGE DE REACTEURS ELEMENTAIRES. CETTE APPROCHE A ETE VALIDEE SUR TROIS GEOMETRIES DIFFERENTES: 2D PLANE, 2D AXISYMETRIQUE, ET 3D. DANS LA DEUXIEME PARTIE, L'ECOULEMENT EST CALCULE EN EFFECTUANT UNE SIMULATION DE TYPE L.E.S. LA GEOMETRIE ETUDIEE EST UNE MARCHE DESCENDANTE. LA MODELISATION OBTENUE EST COMPAREE AVEC CELLE ISSUE D'UN CALCUL STATIONNAIRE (PREMIERE PARTIE).
Author: Vincent Guillemaud Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 263
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Dans ce mémoire de thèse, on s'intéresse à la simulation des écoulements liquidevapeur en transition de phase. Pour décrire ces écoulements, une approche bifluide moyennée à deux pressions indépendantes est retenue. Cette description du mélange liquide-vapeur s'appuie sur le modèle à sept équations de Baer et Nunziato. On étudie les aptitudes de cette modélisation à simuler les transitions de phase apparaissant en ingénierie nucléaire. Dans un premier temps, on élabore un cadre thermodynamique théorique pour décrire les écoulements liquide-vapeur. Dans ce cadre, on réalise la fermeture du modèle de Baer et Nunziato. De nouvelles modélisations sont proposées pour les termes d'interaction entre les phases. Ces nouvelles modélisations dotent le modèle bifluide à deux pressions d'une inégalité d'entropie. On étudie ensuite les propriétés mathématiques de ce modèle. Sa partie convective hyperbolique se présente sous une forme non-conservative. On étudie tout d'abord la définition de ses solutions faibles. Divers régimes d'écoulement sont alors mis à jour pour le mélange diphasique. Ces différents régimes d'écoulement présentent des analogies avec le comportement fluvial et torrentiel des écoulements en rivière. Les stabilités linéaire et non-linéaire de l'équilibre liquidevapeur sont ensuite établies. Pour affiner notre description des interactions diphasiques, on étudie pour finir l'implémentation d'un modèle de turbulence, ainsi que l'implémentation d'une procédure de reconstruction pour la densité d'aire interfaciale. On s'intéresse ensuite à la simulation de ce modèle. Suivant une approche à pas fractionnaires, une méthode numérique est élaborée dans un formalisme Volumes Finis. Pour réaliser l'approximation de la partie convective, diverses adaptations non-conservatives de solveurs de Riemann standard sont tout d'abord proposées. A l'inverse du cadre non-conservatif classique, l'ensemble de ces schémas converge vers une unique solution. Un nouveau schéma de relaxation est ensuite proposé pour approcher la dynamique des transferts interfaciaux. L'ensemble de la méthode numérique se caractérise alors par la préservation des équilibres liquide-vapeur. Dans un premier temps, cette méthode numérique est employée à la comparaison des différentes modélisations bifluides à une et deux pressions. On l'applique ensuite à la simulation des écoulements liquide-vapeur dans les circuits hydrauliques des réacteurs à eau sous pression en configuration accidentelle.
Author: Nicolas Seguin Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages :
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On s'intéresse dans ce travail à la simulation des écoulements diphasiques. Différents modèles, tous hyperboliques, sont considérés suivant les configurations étudiées. Dans un premier temps, plusieurs schémas Volumes Finis sont comparés pour l'approximation du modèle HEM (Homogeneous Equilibrium Model), notamment en présence de faibles densités. Ensuite on démontre l'existence et l'unicité de la solution faible entropique d'une loi de conservation scalaire gouvernant l'évolution de la saturation d'un écoulement diphasique dans un milieu poreux. On propose alors deux schémas Volumes Finis tenant compte du caractère résonnant de cette équation. La troisième partie concerne les écoulements en eaux peu profondes et l'approximation des termes sources raides. Une méthode pemettant le maintien d'états au repos ainsi que le recouvrement et l'apparition de zones sèches, est présentée et comparée aux méthodes habituellement utilisées dans l'industrie. Enfin, une classe de modèles hyperboliques non conservatifs se basant sur l'approche bifluide à deux vitesses et deux pressions est proposée. Une étude des solutions discontinues du système convectif permet d'exhiber une classe de fermetures sur la vitesse interfaciale et sur la pression interfaciale, tout en permettant de définir de manière unique les produits non conservatifs. L'approximation se fait à l'aide d'une méthode de "splitting" d'opérateur. On utilise deux schémas Volumes Finis, le schéma de Rusanov et le schéma de Godunov approché VFRoe-ncv pour l'étape de convection. Plusieurs cas tests sont présentés et commentés : tubes à choc, conditions limites de paroi, robinet d'eau, sédimentation
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L'objet de ce travail est de modéliser et de simuler des écoulements turbulents diphasiques incompressibles à phases non miscibles. La modélisation et la simulation de ce type d'écoulements sont traitées dans le cadre des méthodes de Simulation des Grandes Echelles (SGE) ou Large Eddy Simulation (LES) en anglais. Elles consistent à calculer directement les plus grandes structures de l'écoulement et à modéliser les plus petites. Dans ce travail, les méthodes SGE, largement appliquées aux écoulements turbulents monophasiques, sont étendues au cadre des écoulements turbulents diphasiques. Pour cela, elles sont couplées avec une méthode eulérienne de type "Volume Of Fluid" (VOF) spécifique au caractère diphasique de l'écoulement. La pertinence du couplage entre les modélisations SGE et VOF est testée à l'aide d'une configuration industrielle proposée par le CEA-CESTA: l'impact d'un jet rond turbulent sur une surface libre eau/air dans une cavité. Des mesures expérimentales de vitesse (Particle Image Velocimetry PIV) réalisées au CEA- CESTA sont disponibles pour valider les résultats numériques issus des simulations.
Author: Nicolas Seguin Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 263
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On s'interesse dans ce travail à la simulation des écoulements diphasiques. Différents modèles, tous hyperboliques, sont considérés suivant les configurations étudiées. Dans un premier temps, plusieurs schémas Volumes Finis sont comparés pour l'approximation du modèle HEM (Homogeneous Equilibrium Model), notamment en présence de faibles densités. Ensuite on démontre l'existence et l'unicité de la solution faible entropique d'une loi de conservation scalaire gouvernant l'évolution de la saturation d'un écoulement diphasique dans un milieu poreux. On propose alors deux schémas Volumes Finis tenant compte du caractère résonnant de cette équation. La troisième partie concerne les écoulements en eaux peu profondes et l'approximation des termes sources raides. Une méthode pemettant le maintien d'états au repos ainsi que le recouvrement et l'apparition de zones sèches, est présentée et comparée aux méthodes habituellement utilisées dans l'industrie. Enfin, une classe de modèles hyperboliques non conservatifs se basant sur l'approche bifluide à deux vitesses et deux pressions est proposée. Une étude des solutions discontinues du système convectif permet d'exhiber une classe de fermetures sur la vitesse interfaciale et sur la pression interfaciale, tout en permettant de définir de manière unique les produits non conservatifs. L'approximation se fait à l'aide d'une méthode de "splitting" d'opérateur. On utilise deux schémas Volumes Finis, le schéma de Rusanov et le schéma de Godunov approché VFRoe-ncv pour l'étape de convection. Plusieurs cas tests sont présentés et commentés : tubes à choc, conditions limites de paroi, robinet d'eau, sédimentation
Author: Georges Stamatakis Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 205
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DANS LE CADRE DE LA CONCEPTION DES COEURS DE REACTEURS NUCLEAIRES, DES OUTILS DE SIMULATIONS NUMERIQUES DES ECOULEMENTS INTERNES SONT CONTINUELLEMENT DEVELOPPES. CES ECOULEMENTS SONT DIPHASIQUES DU FAIT DE L'EBULLITION NUCLEEE ET TURBULENTS A CAUSE DE LA PRESENCE D'OBSTACLES TELS QUE LES GRILLES DE MELANGES. LES MECANISMES PHYSIQUES REGISSANT LES INTERACTIONS ENTRE LA TURBULENCE D'UN ECOULEMENT ET SON CARACTERE DIPHASIQUE DEFIENT ENCORE, EN PARTIE, LA SIMULATION NUMERIQUE. AFIN DE MODELISER LA TURBULENCE DES ECOULEMENTS DIPHASIQUES, L'APPROCHE DE LA TURBULENCE MONOPHASIQUE A ETE SUPERPOSEE A L'APPROCHE DES ECOULEMENTS DIPHASIQUES. L'INTERET DE CETTE APPROCHE EST DE POUVOIR TENIR COMPTE DE DEUX PHENOMENES DE TURBULENCE : LA PSEUDO-TURBULENCE INDUITE PAR LE MOUVEMENT RELATIF ENTRE LES DEUX PHASES ET LA TURBULENCE MACROSCOPIQUE INDUITE PAR LA GEOMETRIE DU SYSTEME. CES DEUX PHENOMENES SONT ETUDIES A L'AIDE DES NOTIONS DE VITESSE DE DISPERSION ET VITESSE RELATIVE ENTRE PHASES. LA VITESSE DE DISPERSION REPRESENTE L'INTERACTION ENTRE LA DISTRIBUTION DU TAUX DE VIDE ET LE MOUVEMENT TURBULENT MACROSCOPIQUE. LA VITESSE RELATIVE REPRESENTE, QUANT A ELLE, LA PSEUDO-TURBULENCE MAIS CONSTITUE AUSSI UN LIEN ETROIT ENTRE CETTE PSEUDO-TURBULENCE ET LA TURBULENCE MACROSCOPIQUE. DE PLUS, A L'INSTAR DE LA VISCOSITE TURBULENTE OU DES TERMES DE FERMETURE DU MODELE BI-FLUIDE, LA NOTION DE VITESSE DE DISPERSION PEUT ETRE UN MOYEN POUR STABILISER LA RESOLUTION NUMERIQUE DE SYSTEMES DIPHASIQUES TURBULENTS.
Author: CHAFIA.. BABA AISSA
Author: CHAFIA.. BABA AISSA
Author: Baotuan Huang
Author: Élise Fournier
Author: 
Author: Vincent Guillemaud
Author: Nicolas Seguin
Author: Jérôme Larocque
Author: Nicolas Seguin
Author: Georges Stamatakis
Author: Mohamed Abdelwahed