Simulation numérique directe et analyse des transferts de chaleur dans les lits de particules fixes et mobiles

Direct numerical simulations and analysis of heat transfer through fixed and fluidized beds

• Auteur / Autrice : Florian Euzenat
• Direction : Éric Climent, Pascal Fede
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 11/12/2017
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Jury : Président / Présidente : Michel Lance
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Climent, Pascal Fede, Lounès Tadrist, Anthony Wachs
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Hrenya, Olivier Desjardins

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluidisation

Lagrange, Équations de

Simulation par ordinateur

Transfert de chaleur

Mots clés libres

Multi-échelles

Transferts thermiques

Écoulement fluide-particules

Simulation numérique directe

Simulation Euler-Lagrange

Lits fluidisés

Lits fixes

Multi-scale

Heat transfer

Particle-laden flows

Particle resolved simulation

Euler-Lagrange simulation

Fluidized beds

Fixed beds

Résumé

Ces travaux de recherche s'intéressent à la caractérisation des transferts thermiques dans les milieux fluide-particules, et en particulier, les lits fluidisés au sein desquels un solide divisé est mis en suspension par un fluide. La grande diversité d'échelles spatiales et temporelles dans ces procédés nécessite d'étudier les interactions hydrodynamiques, thermiques et/ou chimiques entre les particules et le fluide à l'aide d'une approche multi-échelles. Une étude des transferts thermiques dans des lits fixes puis fluidisés, est réalisée à deux échelles : locale (Particle Resolved Simulation) et moyennée (Discrete Element Method-Computional Fluids Dynamics). L'étude PRS permet de caractériser les couplages locaux des transferts thermiques entre particules ainsi que la dynamique de ces transferts dans les configurations fluidisées. Une étude comparative entre les échelles met en évidence les limites du modèle DEM-CFD à capter les fluctuations des transferts thermiques observées dans les simulations PRS. Dans un dernier temps, les fermetures du modèle DEM-CFD sont améliorées de manière à réintroduire les fluctuations perdues par le changement d'échelles.

This work aims at characterizing heat transfer into fluid-solid flows, and more particularly fluidized beds, into which a solid phase is suspended by a flowing fluid. The wide range of spatial and temporal scales present in such processes encourage to study hydrodynamic, thermal and/or chemical interactions between the particles and the fluid through a multi-scale strategy. The analysis of thermal interactions was first carried out for fixed bed configurations and then, fluidized beds at two overlapping scales: local (PRS; Particle Resolved Simulation) and mesoscopic (DEMCFD; Discrete Element Method-Computional Fluids Dynamics). The PRS approach accounts for the local coupling of heat transfer between the particles and its dynamics into fluidized beds. A comparative study of the two scales indicated the limits of the DEM-CFD model to capture the heat transfer fluctuations observed into PRS. In a last step, the closure laws for DEM-CFD were improved to reintroduce the fluctuations lost at this scale.