Modélisation d’un écoulement diphasique évaporatif le long d’une paroi chauffée

Evaporative two-phase flow modelling along a heated wall

• Auteur / Autrice : Fabien Raoult
• Direction : Laurence Fournaison, Anthony Delahaye
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 31/01/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génie des procédés frigorifiques pour la sécurité alimentaire et l'environnement (Antony, Hauts-de-seine ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Guibert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bertrand Carissimo, Stéphanie Lacour, François Trinquet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Michel Gradeck, Marc Massot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Écoulement diphasique

Refroidissement par pulvérisation

Brumisation

Mots clés libres

Spray d'eau

Modélisation

Écoulement diphasique

Évaporation

Dispersion

Échange pariétal

CFD

Water spray

Modelling

Two-phase flow

Evaporation

Dispersion

Heated wall

CFD

Résumé

La brumisation en amont d’un échangeur à air permet d’intensifier les échanges de chaleur entre l’air et les parois de l’échangeur. Ces travaux de thèse sont une contribution au développement d’un outil numérique permettant de simuler l’effet d’un spray sur une plaque chauffée.Le modèle de spray développé couple un modèle 0D de formation de spray et un modèle CFD 3D simulant la dispersion et l’évaporation de gouttelettes d’eau dans un écoulement d’air. L’approche eulérienne, pressentie comme une alternative aux approches lagrangiennes plus coûteuses en temps de calcul, a été choisie pour simuler la phase dispersée à l’aide du Code_Saturne. Le modèle a été comparé et validée à l’aide de mesures expérimentales. Une analyse paramétrique est réalisée et les résultats obtenus sont conformes à ceux de la littérature. Il a également été observé que la majorité de l’évaporation est réalisée lors de la formation du spray. Le bon refroidissement d’une cible est obtenu pour une cinétique d’évaporation rapide couplée à une surface de spray proche de la surface cible. Un dispositif expérimental est également mis en œuvre afin étudier l’interaction spray + paroi pour de faibles flux massiques d’eau. Le flux massique de gouttes impactant la paroi chauffée est déterminé numériquement à partir de la vitesse normale à la paroi. Les résultats numériques et expérimentaux sont confrontés une fois les conditions de dépôt de gouttes et d’échanges thermiques adaptés. Les premiers résultats numériques obtenus sur le refroidissement de la plaque chauffée sont très encourageants pour l’obtention d’un outil numérique simulant un écoulement diphasique au sein d’un échangeur.

Water sprays can boost air cooling capacity and improve the heat exchange between the air and the heat exchanger wall. A simple and accurate CFD model for two-phase flow studies with complex 3D geometries such as in heat exchangers remains challenging. This study is therefore carried out to fill this gap by developing a numerical tool to investigate the effects of the water spray on the heat exchanger efficiency. A spray model was developed to simulate droplet dispersion and evaporation. This model couples a 0D spray formation model with a 3D-CFD model. The Code_Saturne software is used and based on the Eulerian approach which requires less computer resources compared to Lagrangian one. The global model was compared with experimental results and through parametric analysis; the obtained results were consistent with the literature. It was also observed that droplets evaporate more during spray formation compared to the dispersion. Moreover, the optimum target cooling can be achieved when the spray surface is close to the target surface together with fast droplet evaporation rate. The effect of water sprays on a heated plate was also studied experimentally and numerically. An experiment was performed to study spray/wall interaction by using a heated plate located in a two-phase flow. For the numerical study, the water mass flow rate was determined by the normal velocity component to the wall. The formulation of boundary condition for droplet deposit and heat exchange on the wall is then obtained. The numerical and experimental results were compared and showed good agreement. Therefore, the spray model developed in this study on the heated plate is very promising.