Simulation numérique des écoulements de Taylor réactifs

Numerical simulation of reactive Taylor flows

• Auteur / Autrice : Alexis Tourbier
• Direction : Joelle Aubin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 06/12/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Zaleski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joelle Aubin, Stéphane Zaleski, Hrvoje Jasak, Panagiota Angeli, Chiara Galletti, Lionel Gamet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Arnaud Antkowiak, Dieter Bothe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement diphasique

Microfluidique

Mots clés libres

Écoulements de Taylor

Transfert de matière

Catalyse homogène

Volume of Fluid

Taylor flows

Mass transfer

Catalytic reaction

Volum of fluid

Résumé

La microfluidique bénéficie d’un intérêt considérable du fait des nombreux avantages qu’elle présente. Les importants rapports surface-volume ainsi que les faibles volumes de réactifs impliqués rendent les microsystèmes très attractifs pour l’intensification des procédés. L’augmentation des ressources numériques a aussi permis la résolution de simulations de plus en plus réalistes. Il manque cependant encore d’outils rigoureusement validés pour résoudre les problèmes multiphysiques les plus compliqués, notamment les écoulements diphasiques à l’échelle microscopique impliquant le transfert de matière et de chaleur. Cette étude porte sur la résolution numérique des écoulements de Taylor réactifs. Un nouveau solveur utilisant la méthode Volume of Fluid a été développé pour prédire le transfert de matière entre un gaz et un liquide. Afin d’éviter le transfert de matière artificiel au niveau de l’interface, une nouvelle stratégie pour la discrétisation de l’équation de transport de la concentration a été mise en place avec succès. Différents cas tests ont démontré les performances du solveur, en particulier pour la résolution d’écoulements de Taylor dans des injecteurs en T

Microfluidics has been of significant interest in recent years. Indeed, the high surface to volume ratio, combined with small reagent volumes make micro-devices an outstanding tool for process intensification. The continual increase in computational power also allows more complex engineering problems to be solved through computational fluid dynamics. However, there is still a lack in trustworthy tools to predict the most difficult multi-physics problems. Among these, micro- scale two-phase flows involving coupled mass and heat transfer still present several issues, the major one being the prediction of the surface tension force. This study investigates the numerical simulation of reactive Taylor flows. A new solver based on the Volume of Fluid framework to account for mass transfer between gas and liquid has been developed. A new methodology to implement the transport of concentration is proposed to avoid numerical diffusion and artificial mass transfer. Test-cases were used to demonstrate the performances of the new solver and the tool was used to study Taylor flows in T-junctions.