Numerical modelling of natural convection of binay mixtures : case of a helium buoyant jet in an air-filled enclosure

par Huong-Lan Tran

Thèse de doctorat en Mécanique des Fluides

Sous la direction de Patrick Le Quéré.

Soutenue en 2013

à Paris 6 .


  • Résumé

    Ce travail porte sur l'étude des mécanismes de mélange et dispersion d'un jet d'hélium dans une cavité semi-confinée remplie d'air. Ce phénomène est pris comme un cas modèle de l'injection d'un gaz léger dans un fluide lourd produisant un panache. Ce thème est en lien avec les questions de sécurité des systèmes basés sur l'hydrogène. Un modèle numérique a été développé combinant les conditions limites adéquates avec les équations de conservation de la masse (mélange et une espèce), de la quantité de mouvement, ainsi que la loi d'état et la variation des propriétés physiques en fonction du mélange. En premier lieu, le panache d'un mélange eau glycérol est considéré comme cas de validation par comparaison avec des résultats expérimentaux [Rogers & Morris 09]. Le développement d'un panache axisymétrique est modélisé pour de grands nombres de Grashof et petit nombres de Reynolds d'injection. Un bon accord est obtenu pour la vitesse d'ascension du panache ainsi que le type et la forme de la tête. Une loi d'échelle modifiée est proposée prenant en compte le ratio de viscosité des deux fluides. Dans le cas du mélange hélium-air, une cavité 2D est tout d'abord considérée. Les lois d'échelle auto-similaires pour des panaches plans stationnaires en milieu infini avant impact avec le plafond [Gebhart et al. 88] ont été reproduites numériquement pour les profils de vitesse verticale et de masse volumique sur l'axe. Puis une cavité cylindrique a été considérée pour modéliser une expérience menée au CEA [Cariteau & Tkatschenko 12]. Les résultats numériques sont comparés aux données des expériences et d'un benchmark numérique. L'effet de l'hypothèse d'axisymétrie a été mis en évidence.

  • Titre traduit

    Simulation numérique de convection naturelle d'un mélange binaire : cas d'un panache d'hélium en cavité


  • Résumé

    This study focuses on the understanding of the dispersing and mixing mechanisms of helium in air in a semi-confined cavity. This phenomenon is an example of a low-density fluid injected in a high-density ambient fluid which results in a buoyant plume. This is an important safety issue for all hydrogen-based systems. A numerical model has been developed combining the appropriate boundary conditions with the conservation equations for the mixture mass, species mass, momentum and the state law of the mixture as well as the variation laws of the physical properties. First a laminar starting plume of a glycerol-water mixture is considered as a validation test-case by comparison with experimental data [Rogers & Morris 09]. The propagation of the axisymmetric buoyant-jet is modeled for large Grashof numbers and small injection Reynolds numbers. A good agreement has been found for the ascent velocity as well as the two types of head shape. A modified scaling law of the ascent velocity versus a modified Reynolds number is proposed to take into account for the kinetic viscosities of both fluids. For the helium-air mixture, a 2D planar air-filled cavity was first considered. The auto-similar scaling laws for steady plane plumes in unconfined environment [Gebhart et al. 88] have been reproduced for the vertical velocity and the density profiles along the vertical centerline, when considering moments before the plume impact on the top wall. Then a cylindrical container is considered to model the CEA experiment [Cariteau & Tkatschenko 12]. Numerical results are compared to experimental data and to a numerical benchmark. The effect of the axisymmetry assumption is evidence.

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Informations

  • Détails : 1 vol. ([177] p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.143-147

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