Modélisation des écoulements bouillants à bulles polydispersées

Modelling of polydisperse bublly flows

• Auteur / Autrice : Didier Zaepffel
• Direction : Daniel Lhuillier, Christophe Morel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, génie mécanique
• Date : Soutenance le 19/12/2011
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Modélisation et de simulation à l'Échelle Système - Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives
• Jury : Président / Présidente : Alain Cartellier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Lhuillier, Christophe Morel, Jérôme Lavieville
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Lance, Arnault Monavon

Mots clés

Mots clés libres

Bulles

Changement de phase

Changement de phase

Bubble

Boiling flow

Multi-size

Résumé

Cette thèse porte sur l'amélioration de la modélisation des écoulements à bulles, et plus particulièrement des écoule- ments bouillants, dont la compréhension et la prédiction est essentielle pour de nombreuses applications industrielles. L'axe de recherche choisi ici est la prise en compte du caractère polydisperse de la population de bulles, autrement dit du fait que toutes les bulles n'aient ni la même taille, ni la même vitesse. Divers mécanismes peuvent être cités pour expliquer l'existence de la variété de tailles de bulles ; dans notre cas on peut principalement citer la coalescence et la fragmentation de bulles, la cinématique de changement de phase ou encore la compressibilité du gaz à l'intérieur des bulles. De cette polydispersion en taille découle également une polydispersion en vitesse, puisqu'il est bien connu que la vitesse de déplacement d'une bulle est fonction de sa taille. Un modèle moyenné spécialement adapté aux écoulements à phase dispersée est présenté dans ce manuscrit, modèle que l'on pourra caractériser de polydisperse puisque prenant en compte une fonction de distribution en taille et en vi- tesse des bulles. Deux lois mathématiques particulières, une loi quadratique et une loi cubique, sont proposées dans ce manuscrit pour modéliser la fonction de distribution en taille des bulles, son évolution spatio-temporelle étant obtenue à l'aide la méthode des moments. Ces deux lois ayant une expression mathématique relativement simple, les différents termes d'échanges entre phases ont pu être fermés dans un cadre polydisperse. Ce modèle moyenné polydisperse a été implanté dans le code de calcul NEPTUNE_CFD, puis testé en tentant de reproduire par la simulation l'expérience DEBORA du CEA Grenoble, expérience dédiée à l'étude des écoulements bouillants sous-saturés.

The objective of this work was to improve the modelling of boiling bubbly flows.We focused on the modelling of the polydisperse aspect of a bubble population, i.e. the fact that bubbles have different sizes and different velocities. The multi-size aspect of a bubble pupolation can originate from various mechanisms. For the bubbly flows we are interested in, bubble coalescence, bubble break-up, phase change kinematics and/or gas compressibility inside the bubbles can be mentionned. Since, bubble velocity depends on bubble size, the bubble size spectrum also leads to a bubble velocity spectrum. An averaged model especially dedicated to dispersed flows is introduced in this thesis. Closure of averaged inter- phase transfer terms are written in a polydisperse framework, i.e. using a distribution function of the bubble sizes and velocities. A quadratic law and a cubic law are here proposed for the modelling of the size distribution function, whose evolution in space and time is then obtained with the use of the moment method. Our averaged model has been implemented in the NEPTUNE_CFD computation code in order to simulate the DEBORA experiment. The ability of our model to deal with sub-cooled boiling flows has therefore been evaluated.