Etude CFD et expérimentale d'un stockage thermique de type thermocline

CFD and experimental study of a thermocline thermal storage

• Auteur / Autrice : Alexis Ferré
• Direction : Rémi Manceau, Sylvain Serra, Jérôme Pouvreau, Arnaud Bruch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides 1
• Date : Soutenance le 26/09/2024
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMAP Laboratoire de mathématiques et de leurs applications - Pau - Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble) - Computational AGility for internal flows sImulations and compaRisons with Experiments
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Computational agility for internal flow simulations and comparison with experiments
• Jury : Président / Présidente : Benoît Stutz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rémi Manceau, Sylvain Serra, Jérôme Pouvreau, Arnaud Bruch, Daniel Bougeard, Lingai Luo, Thomas Fasquelle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Bougeard, Lingai Luo
• DOI : 10.70675/5b74a398z8767z4c2ez97a5z89e51183b41e

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence

Transition énergétique

Modélisation CFD

Mots clés libres

Réseaux de chaleur

Single medium thermocline

Ttes

Turbulence

Expérimental

Approximation de Boussinesq quadratique

Heat networks

Single medium thermocline

Ttes

Turbulence

Experimental

Quadratic Boussinesq approximation

Résumé

Le stockage d'énergie est essentiel à la transition énergétique car il permet de découpler la production de l'énergie de sa consommation. Le stockage de chaleur thermocline en eau, utilisé dans les réseaux de chaleur à moyenne ou basse température, repose sur la stratification thermique dans une cuve. Les performances de ce type de stockage sont fortement liées à la bonne stratification du fluide qui peut être perturbée par l'injection et le soutirage du liquide, des aspects peu explorés dans la littérature.L'objectif de cette thèse est de modéliser un tel stockage de manière fiable pour analyser la distribution du fluide. En effet, le but est de mieux appréhender les phénomènes physiques gouvernant la thermocline pendant les cycles de fonctionnement et d'accroître ses performances énergétiques par un design ou un pilotage amélioré. Pour ce faire, des études numériques utilisant la CFD (Computational Fluid Dynamics) ont été réalisées et comparées à des données expérimentales disponibles dans la littérature et obtenues via une nouvelle section d'essais.Dans un premier temps, un modèle CFD a été développé basé sur un cas expérimental existant de la littérature. Dans un stockage thermocline en eau, il y a bien souvent coexistence entre une région laminaire dans la cuve et turbulente à proximité des distributeurs. Cette coexistence est un enjeu majeur de la modélisation car la plupart des modèles de turbulence ne sont pas capables de représenter fiablement la transition d'un écoulement turbulent vers laminaire. Pour ces travaux, une méthode statistique RANS (Reynolds Average Numerical Simulation) est adoptée et le modèle k-omega-SST est sélectionnée car il permet de représenter les écoulements en proche paroi. Concernant la flottabilité, il existe deux méthodes pour considérer ses effets : utiliser une masse volumique variable dans l'ensemble des équations, ou constante sauf dans le terme de flottabilité . Cette dernière est connue sous le nom de l'approximation de Boussinesq mais n'est valable que sur une faible gamme de ΔT. La précision de l'approximation de Boussinesq a été remise en question et une approche au second ordre de ce modèle est employée. Celle-ci permet d'obtenir le même terme de flottabilité qu'un modèle à masse volumique variable mais avec un temps de calcul réduit de moitié. La comparaison avec des données expérimentales a permis de souligner l'impact de l'état initial en température (stockage stratifié ou homogène). Une étude exploratoire de l'impact d'une injection progressive selon une rampe en débit a montré son impact sur la réduction de l'épaisseur de la thermocline au moment de sa création.Dans une démarche de validation du modèle et de vérification des observations numériques, un nouveau dispositif expérimental a été conçu. Celui-ci mesure la température grâce à 300 thermocouples disposés dans la cuve et permet un contrôle précis des conditions opératoires. Des études en phase statiques pour évaluer les pertes thermiques ont été réalisées. Des études dynamiques ont permis de faire varier les paramètres opératoires pertinents : la vitesse de propagation axiale, l'écart de température, le dispositif de soutirage ou encore l'injection progressive. Pour ce système, les résultats montrent qu'il est possible d'obtenir une stratification à forte vitesse (> 2 mm/s) tant que le ΔT est suffisamment élevé.Enfin, l'écoulement dans la section d'essais a été étudié numériquement avec un modèle CFD actualisé. Les champs de variables ont montré que les résultats numériques et expérimentaux sont cohérents, en particulier lors de la formation de la thermocline. Toutefois, un excès de diffusion lors de la propagation du gradient thermique à faible débit est notable. Pour tous les essais réalisés les écarts expérimentaux et numériques ont été quantifiés: à l'exception des conditions critiques, l'écart sur l'épaisseur de thermocline est de ±50% et se situe entre 0 et -10% pour le taux de restitution.

Energy storage is essential to the energy transition as it allows decoupling energy production from its consumption. Water-based thermocline heat storage, used in medium or low-temperature heating networks, relies on thermal stratification in a tank. The performance of this type of storage is strongly linked to the proper stratification of the fluid, which can be disrupted by the injection and extraction of the liquid, aspects that are scarcely explored in the literature.The objective of this thesis is to reliably model such storage to analyze the fluid distribution. The aim is to better understand the physical phenomena governing the thermocline during operating cycles and to enhance its energy performance through improved design or control. To achieve this, numerical studies using CFD (Computational Fluid Dynamics) were conducted and compared with experimental data available in the literature and obtained via a new experimental setup.Initially, a CFD model was developed based on an existing experimental case from the literature. In water thermocline storage, there is often coexistence between a laminar region in the tank and a turbulent region near the distributors. This coexistence is a major challenge in modeling because most turbulence models cannot reliably represent the transition from turbulent to laminar flow. For this work, a RANS (Reynolds Average Numerical Simulation) statistical method is adopted, and the k-omega-SST model is selected as it can represent near-wall flows. Regarding buoyancy, there are two methods to consider its effects: using a variable density in all equations or a constant density except in the buoyancy term. The latter is known as the Boussinesq approximation but is only valid over a narrow range of ΔT. The accuracy of the Boussinesq approximation has been questioned, and a second-order approach of this model is employed. This allows obtaining the same buoyancy term as a variable density model but with a calculation time reduced by half. Comparison with experimental data highlighted the impact of the initial temperature state (stratified or homogeneous storage). An exploratory study of the impact of progressive injection according to a flow ramp showed its effect on reducing the thermocline thickness at the time of its creation.As part of the model validation and verification of numerical observations, a new experimental setup was designed. It measures the temperature using 300 thermocouples placed in the tank and allows precise control of operating conditions. Static phase studies to evaluate thermal losses were conducted. Dynamic studies allowed varying relevant operating parameters: axial propagation speed, temperature difference, extraction device, and progressive injection. For this system, the results show that it is possible to obtain stratification at high speed (> 2 mm/s) as long as the ΔT is sufficiently high.Finally, the flow in the test section was numerically studied with an updated CFD model. The variable fields showed that the numerical and experimental results are consistent, especially during the formation of the thermocline. However, excessive diffusion during the propagation of the thermal gradient at low flow is notable. For all the tests carried out, the experimental and numerical discrepancies were quantified: except for critical conditions, the discrepancy in thermocline thickness is ±50% and ranges from 0 to -10% for the restitution rate.