Modélisation numérique de jets turbulents transcritiques à l'aide d'une approche tabulaire des fluides réels

Numerical Modelling of transcritical turbulent jets using a tabulated real-fluid approach

• Auteur / Autrice : Sajad Jafari
• Direction : Chawki Habchi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 28/03/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut français du pétrole Énergies nouvelles (Rueil-Malmaison, Hauts-de-Seine)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Grégoire Allaire
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Chawki Habchi, Michele Battistoni, Jean-Noël Jaubert, Sébastien Ducruix, Vincent Moureau, Peter Kelly Senecal
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Michele Battistoni, Jean-Noël Jaubert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Équilibre liquide-vapeur

Dynamique des fluides

Simulation par ordinateur

Mots clés libres

Modèle de fluide réel

Équilibre vapeur-liquide

Tabulation

Condensation

Évaporation

Injection

Vapor-Liquid equilibrium

Tabulation

Real fluid model

Condensation

Evaporation

Injection

Résumé

Dans cette thèse, un modèle de fluide réel entièrement compressible a été développé, dans lequel les caractéristiques diphasiques sont obtenues en utilisant une approche tabulée d'équilibre vapeur-liquide (VLE). Ce modèle de fluide réel multicomposant tabulé (RFM) est proposé pour surmonter la plupart des limitations et rendre les simulations de fluide réel abordables. Fondamentalement, le modèle RFM se compose de quatre équations d'équilibre : densité de masse, densité partielle des espèces, quantité de mouvement et énergie. Les propriétés thermodynamiques du mélange sont calculées en fonction de la température (T), de la pression (P) et des compositions (Y) sur la base de différentes équations d'état (EoS). Ce calcul est effectué à l'aide de la bibliothèque thermodynamique IFPEN-Carnot qui génère une table 3D avec (T,P,Y) comme entrées. Cette table de consultation est générée à l'aide d'un flash isotherme-isobarique (TPn) efficace sur le plan informatique, évitant ainsi le flash itératif isochore-isoénergétique (UVn) plus coûteux utilisé dans les travaux précédents. Il inclut spécifiquement différentes sorties thermodynamiques telles que la vitesse du son, la capacité thermique et les propriétés de transport. Le modèle RFM, ainsi que la méthode de tabulation 3D, a été implémenté dans le solveur CFD de CONVERGE. Toutes les propriétés thermiques et de transport sont interpolées linéairement en utilisant la mise à jour (T,P,Y) pendant la simulation. Tout d'abord, diverses études ont été faites pour le raffinement et la dépendance à la grille des tables thermodynamiques, en particulier près de la limite de la phase thermodynamique en utilisant des grilles uniformes et non uniformes. Ces études ont démontré que les grilles non uniformes, comme octree et quadtree, sont coûteuses par rapport à l'approche uniforme. Par conséquent, la tabulation uniforme couplée à la technique de mémoire partagée d'IFPEN s'est avérée être l'approche la plus appropriée pour la tabulation, pour les études industrielles ciblées. Ensuite, le présent travail a également étudié la robustesse et la précision du modèle RFM proposé et des méthodologies de tabulation en conjonction avec deux schémas numériques modifiés différents, un algorithme PISO modifié et un algorithme SIMPLE modifié, adaptés à l'approche actuelle de modélisation des fluides réels. Ensuite, le modèle RFM proposé a été appliqué avec succès à différentes applications universitaires et industrielles pour étudier les caractéristiques de l'évaporation/condensation classique sous-critique et du mélange transcritique. Parmi elles, deux cas d'essais industriels importants pour lesquels des résultats expérimentaux récents sont disponibles ont été simulés et analysés pour valider le modèle RFM.1- La simulation d'une injection cryogénique conventionnelle d'azote liquide coaxialement avec un jet d'hydrogène chaud a été réalisée en utilisant des tables thermodynamiques générées par deux équations d'état différentes : Peng-Robinson (PR) et Soave-Redlich-Kwong (SRK).2- Simulation de l'interaction entre la transition de phase et la dynamique des fluides turbulents pour des jets multi-espèces sous-critiques et supercritiques en utilisant différents modèles de turbulence, y compris des modèles de simulation de grands tourbillons (LES Sigma et Smagorinsky) ainsi qu'un modèle Navier-Stokes à moyenne de Reynolds (RANS K-ε).Les résultats numériques se sont révélés en bon accord avec les données expérimentales disponibles et les études numériques publiées. Enfin, les résultats numériques ont montré que la méthode de tabulation améliore l'efficacité de l'équilibre liquide-vapeur (VLE) pour la modélisation des fluides réels et fournit un moyen d'étudier et de comprendre la structure des interfaces liquide-gaz sous-critiques et transcritiques révélant les caractéristiques hydro-thermodynamiques du mélange de jets multicomposants.

In this thesis, a fully compressible real-fluid model has been developed, in which the two-phase characteristics are obtained using a tabulated vapor-liquid equilibrium (VLE) approach. This tabulated multicomponent real-fluid model (RFM) is proposed to overcome most limitations and make real-fluid simulations affordable. Basically, the RFM model consists of four balance equations: mass density, partial species density, momentum, and energy. The thermodynamic properties of the mixture are calculated as a function of temperature (T), pressure (P), and compositions(Y) based on different equations of state (EoS). This is carried out using the IFPEN-Carnot thermodynamic library which generates a 3D-table with (T,P,Y) as inputs. This look-up table is generated using a computationally efficient isothermal-isobaric (TPn)-flash, thereby avoiding the costlier iterative isochoric-isoenergetic (UVn)-flash employed in previous works. It specifically includes different thermodynamic outputs such as sound speed, heat capacity, and transport properties. The RFM model, along with the 3D tabulation method, has been implemented in the CONVERGE CFD solver. All thermal and transport properties are linearly interpolated using the updated (T,P,Y) during the simulation. First, various studies have been done for the refinement, and grid in-dependency of the thermodynamic tables, especially near the thermodynamic phase boundary using uniform and nonuniform grids. These studies have demonstrated that nonuniform grids, like octree and quadtree, is costly compared to the uniform approach. Therefore, uniform tabulation coupled with IFPEN's shared memory technique proved to be the most appropriate approach for tabulation, for the targeted industrial studies. Next, the present work has also investigated the robustness and accuracy of the proposed RFM model and the tabulation methodologies in conjunction with two different modified numerical schemes, a modified PISO and modified SIMPLE algorithms, adapted for the current real fluid modeling approach. Then, the proposed RFM model has been successfully applied to different academic and industrial applications to investigate subcritical classical evaporation/condensation and transcritical mixing characteristics. Among them, two industrially important test cases for which recent experimental results are available have been simulated and analyzed to validate the RFM model.1- Simulation of a conventional cryogenic injection of liquid nitrogen coaxially with a hot hydrogen jet was performed using thermodynamic tables generated by two different equations of state: Peng-Robinson (PR) and Soave-Redlich-Kwong (SRK).2- Simulation of the interaction between phase transition and turbulent fluid dynamics for subcritical and supercritical multi-species jets using different turbulence models including large-eddy simulations (LES Sigma and Smagorinsky) models as well as a Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS K-ε).The numerical results were found to be in good agreement with the available experimental data and published numerical studies, which also showed the relevance of the LES approach associ-ated with the Sigma model for these very complex two-phase flows. Finally, numerical results showed that the tabulation method improves the liquid-vapor equilibrium (VLE) efficiency for real fluid modeling and provides a mean to study and understand the structure of subcritical and transcritical liquid-gas interfaces revealing the hydro-thermodynamic characteristics of the multicomponent jet mixture.