Numerical simulation of the interaction between an external flow, laminar or turbulent, and liquid/vapor phase change
Simulation numérique de l'interaction entre un écoulement externe, laminaire ou turbulent, et un changement de phase liquide/vapeur
Résumé
In a launcher tank, the cryogenic fuel can suffer a liquid/vapor phase change due to a thermal gradient induced by solar radiation or by engines residual thermal diffusion. The quantity of vapor released by the phase change process can highly increase the internal pressure. Due to a poor knowledge of these phenomena, at present, the operations led to regulate the internal pressure induce fuel loss. It is therefore of great importance to investigate the liquid/vapor phase and the physical processes taking place at the interface. This is the context of the present thesis, thattakes place in an effort to extract better understanding of the above underlined phenomena by means of Direct Numerical Simulation (DNS). The work is split into three studies : the interaction between a liquid pool at saturation and an external flow of subcooled or superheated vapor, both in laminar and turbulent regime flows, and the interaction between natural convection mouvements and liquid/vapor phase change. Firstly, the laminar regime flow is investigated. In this framework, a parametric study is conducted with the objective of finding behaviour laws for the heat transfer and the friction coefficient at the interface between a static liquid pool at saturation temperature and a laminar boundary layer flow of vapor. Both vaporization and condensation are studied. The second project was on the numerical simulation of a turbulent boundary layer flow of superheated vapor interacting with the velocity field induced by vaporization. To this extent, a turbulent fluctuations injector is implemented and validated for the spatial development of a boundary layer flow over a flat plate with heat transfer. A study on the influence of the velocity field induced by vaporization on the Nusselt number, the friction coefficient, the Stanton number and the turbulent quantities is conducted. Finally, we lead a preliminary numerical study on a configuration describing the interaction between natural convection flow and liquid/vapor phase change in a cryogenic tank. A new solver is implemented in the in house code to account for the density variations in the liquid. Preliminary results are obtained on the influence of the Grashof number on the thermal flux at the liquid/vapor interface
Dans le réservoir d’un satellite, le carburant cryogénique peut se transformer en vapeur à cause de la présence d’un gradient de température à la paroi, induit par le rayonnement solaire ou la diffusion thermique résiduelle des moteurs du lanceur. La quantité de vapeur transformée peut fortement augmenter la pression à l’intérieur du réservoir. En raison d’une connaissance incomplète des ces phénomènes, aujourd’hui, les opérations faites pour régulariser la pression interne entraînent une perte de carburant. Il est donc très important d’étudier le changement de phase liquide/vapeur et les processus physiques mis en jeu au niveau de l’interface. C’est dans ce contexte que se situe cette thèse, dont l’objectif est d’obtenir une meilleure compréhension des phénomènes susmentionnés au moyen de la Simulation Numérique Directe (DNS). Le travail estdivisé en trois parties : l’interaction entre un liquide à température de saturation et un écoulement externe de vapeur sous-refroidie ou surchauffée, en régime laminaire et turbulent, et l’interaction entre des mouvements de convection naturelle et le changement de phase liquide/vapeur. Tout d’abord, le régime laminaire est étudié. Dans ce cadre, une étude paramétrique est menée dont l’objectif est de trouver des lois de comportements pour le transfert thermique et le coefficient de frottement à l’interface entre un liquide statique à température de saturation et un écoulement decouche limite de vapeur. Nous étudions à la fois la vaporisation et la condensation. La seconde partie de cette thèse est dédiée à la simulation numérique d’un écoulement de couche limite turbulente d’une vapeur surchauffée en interaction avec un champ de vitesse induit par de la vaporisation. Pour cela, un injecteur de turbulence est implémenté dans le code et validé pour la configuration de l’évolution spatiale d’une couche limite turbulente sur une plaque plane avec transfert thermique. Ensuite, une étude sur l’influence du champ de vitesse induit par la vaporisation sur le nombre de Nusselt, le coefficient de frottement, le nombre de Stanton et les différentes quantités turbulentes est réalisée. Enfin, nous menons une étude numérique préliminaire sur une configuration décrivant l’écoulement convectif dans un réservoir cryogénique. Un nouveau solveur est implémenté dans le code utilisé afin de prendre en compte les variations de la densité. Des résultats préliminaires sont obtenus sur l’influence du nombre de Grashof sur le flux thermique à l’interface liquide/vapeur
Origine : Version validée par le jury (STAR)