Etude numérique de la bulle de Taylor et développement d'un modèle de changement de phase

Numerical investigation of Taylor bubble and development of phase change model

• Auteur / Autrice : Longkai Guo
• Direction : Shihe Xin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 28/10/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône) - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon / CETHIL
• Jury : Président / Présidente : Christian Ruyer-Quil
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Shihe Xin, Christian Ruyer-Quil, Virginie Daru, Christophe Josserand, Ronnie Knikker, Aurore Naso
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Virginie Daru, Christophe Josserand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement diphasique

Écoulement gaz-liquide

Bulles -- Dynamique

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Mécanique des fluides

Bulle de Taylor

Expansion de changement de phase

Contraction

Vof

Transition de phase

Méthode numérique

CFD

Ecoulement diphasique

Fluid mechanics

Taylor bubble

Phase change material

Contraction

Vof

Phase transition

Numerical method

CFD - Computanional Fluid Dynamics

Two-Phase flow

Résumé

Le mouvement d'une bulle d'azote de Taylor dans des solutions mixtes glycérol-eau s'élevant à travers différents types d'expansions et de contractions est étudié par une approche numérique. La procédure CFD est basée sur un solveur open-source Basilisk, qui adopte la méthode du volume de fluide (VOF) pour capturer l'interface gaz-liquide. Les résultats des expansions/contractions soudaines sont comparés aux résultats expérimentaux. Les résultats montrent que les simulations sont en bon accord avec les expériences. La vitesse de la bulle augmente dans les expansions soudaines et diminue dans les contractions soudaines. Le modèle de rupture des bulles est observé dans les expansions soudaines avec de grands taux d'expansion, et un modèle de blocage des bulles est observé dans les contractions soudaines avec de petits rapports de contraction. De plus, la contrainte de cisaillement de la paroi, l'épaisseur du film liquide et la pression dans les simulations sont étudiées pour comprendre l'hydrodynamique de la bulle de Taylor montant par expansions/contractions. Le processus transitoire de la bulle de Taylor passant par une expansion/contraction soudaine est ensuite analysé pour trois singularités différentes: graduelle, parabolique convexe et parabolique concave. Une caractéristique unique de la contraction concave parabolique est que la bulle de Taylor passe par la contraction même pour de petits rapports de contraction. De plus, un modèle de changement de phase est développé dans le solveur Basilisk. Afin d'utiliser la méthode VOF géométrique existante dans Basilisk, une méthode VOF géométrique générale en deux étapes est implémentée. Le flux de masse n'est pas calculé dans les cellules interfaciales mais transféré aux cellules voisines autour de l'interface. La condition aux limites de température saturée est imposée à l'interface par une méthode de cellule fantôme. Le modèle de changement de phase est validé par évaporation de gouttelettes avec un taux de transfert de masse constant, le problème de Stefan unidimensionnel, le problème d'aspiration de l'interface et un cas d'ébullition à film plan. Les résultats montrent un bon accord avec les solutions analytiques ou les corrélations.

The motion of a nitrogen Taylor bubble in glycerol-water mixed solutions rising through different types of expansions and contractions is investigated by a numerical approach. The CFD procedure is based on an open-source solver Basilisk, which adopts the volume-of-fluid (VOF) method to capture the gas-liquid interface. The results of sudden expansions/contractions are compared with experimental results. The results show that the simulations are in good agreement with experiments. The bubble velocity increases in sudden expansions and decreases in sudden contractions. The bubble break-up pattern is observed in sudden expansions with large expansion ratios, and a bubble blocking pattern is found in sudden contractions with small contraction ratios. In addition, the wall shear stress, the liquid film thickness, and pressure in the simulations are studied to understand the hydrodynamics of the Taylor bubble rising through expansions/contractions. The transient process of the Taylor bubble passing through sudden expansion/contraction is further analyzed for three different singularities: gradual, parabolic convex and parabolic concave. A unique feature in parabolic concave contraction is that the Taylor bubble passes through the contraction even for small contraction ratios. Moreover, a phase change model is developed in the Basilisk solver. In order to use the existed geometric VOF method in Basilisk, a general two-step geometric VOF method is implemented. Mass flux is calculated not in the interfacial cells but transferred to the neighboring cells around the interface. The saturated temperature boundary condition is imposed at the interface by a ghost cell method. The phase change model is validated by droplet evaporation with a constant mass transfer rate, the one-dimensional Stefan problem, the sucking interface problem, and a planar film boiling case. The results show good agreement with analytical solutions or correlations.