Développement d'un modèle numérique magnéto-thermo-hydrodynamique pour un procédé de fusion par induction d'un mélange métal-verre

Development of a numerical model to calculate magneto-thermo-hydrodynamic phenomena in a process performing the melting of a metal-glass mix

• Auteur / Autrice : Rémi Bourrou
• Direction : Annie Gagnoud, Olga Budenkova, Christophe Lafon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Soutenance le 04/12/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Valéry Botton
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emilien Sauvage
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alain Jardy, Franck Pigeonneau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déchets radioactifs -- Vitrification

Induction électromagnétique

Magnétohydrodynamique

Mots clés libres

Magnétohydrodynamique

Modélisation numérique

Multiphasique

Fusion par induction

Vitrification

Déchets nucléaires

Magnetohydrodynamics

Numerical modelling

Multiphase

Induction melting

Vitrification

Nuclear wastes

Résumé

Dans le procédé PIVIC, ayant pour objectif le conditionnement de déchets nucléaires technologiques mixtes, un bain de métal et de verre est maintenu en fusion par induction électromagnétique. La conductivité électrique du verre étant relativement faible, les forces de Laplace et le chauffage par effet Joule sont uniquement actifs dans le métal. Le verre est donc mis en mouvement et maintenu en fusion par son contact avec la phase métallique, ce qui complexifie le pilotage du procédé, notamment lorsque ce matériau commence à figer. L’objectif de cette thèse est d’étudier le couplage magnéto-thermo-hydrodynamique dans le procédé afin de comprendre le mécanisme à l’origine du figeage du verre et ainsi de pouvoir l’éviter. Pour ce faire, divers outils de modélisation numérique sont utilisés afin de représenter les phénomènes thermiques, hydrodynamiques et électromagnétiques dans le procédé.Un point crucial à prendre en compte est la déformation de la surface du métal par la pression magnétique, ce qui créé un dôme pouvant émerger de la phase de verre. Dans un premier temps, les transferts thermiques sont écartés pour la modélisation numérique. Le modèle développé consiste en un couplage entre COMSOL Multiphysics® (induction EM) et ANSYS Fluent® (mécanique des fluides en régime turbulent). Afin de représenter la déformation des interfaces entre les fluides, une formulation triphasique du modèle Volume Of Fluid (VOF) a été utilisée. Les résultats numériques obtenus sont comparés aux mesures effectuées sur le prototype du procédé. Cette étude met en évidence les paramètres ayant un impact important sur l’élaboration ainsi qu’un phénomène d’entrainement d’air entre les deux liquides.Dans un second temps, les phénomènes thermiques sont ajoutés au modèle numérique. Un modèle spécifique est développé pour représenter le rayonnement au niveau de la surface libre des liquides tout en utilisant le modèle VOF. La répartition des flux de refroidissement ainsi que la température dans le creuset obtenues avec ce modèle plus complet sont comparées avec le prototype. L’impact de la masse de verre dans le creuset sur le comportement thermique du procédé est finalement étudié.

In the PIVIC process, aimed to package mixed technological nuclear wastes, a metal-glass bath is melted by electromagnetic induction. The electrical conductivity of the glass being relatively low, the Lorentz forces and the Joule heating are present only in the metal. The glass is therefore put in motion and heated by its contact with the metallic phase, which complicates the control of the process, especially when this material starts to freeze. The goal of this thesis is to study the magneto-thermo-hydrodynamic coupling in the process to understand the freezing mechanism in order to avoid it. To this end, several numerical modelling tools are used in order to represent the thermal, hydrodynamic, and electromagnetic phenomena in the process. An essential point to take into account is the deformation of the metal’s free surface by the magnetic pressure, producing a dome that can emerge from the glass phase.For the first stage of the numerical modelling, the heat transfers are discarded. The model developed consists in a coupling between COMSOL Multiphysics® (EM induction) and ANSYS Fluent® (turbulent fluid flow). In order to represent the deformation of the interfaces between the fluids, a three phase Volume Of Fluid (VOF) model is used. The results of the numerical model are compared to the measures performed on the prototype of the process. The study highlights the parameters having the most impact on the process and also raises an air entrainment phenomenon between the liquids.At the second stage, thermal phenomena are added to the numerical model. A separate model is developed to represent radiative heat transfers at the free surface of the liquids with the VOF model. The repartition of the cooling fluxes and the temperature inside the crucible are compared between this numerical model and the prototype. Finally, the impact of the glass mass in the crucible on the thermal behavior of the process is studied.