Développement d'un modèle triphasique Euler/Euler/Lagrange pour la simulation numérique des écoulements liquide-gaz chargés en particules

Euler/Euler/Lagrange model development for the numerical simulation of multiphase flows loaded with particles

• Auteur / Autrice : Federico Baraglia
• Direction : Olivier Simonin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 08/04/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : François-Xavier Demoulin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Simonin, François-Xavier Demoulin, Catherine Colin, Berend Van Wachen, Maria-Giovanna Rodio
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Ruyer, Anne Tanière

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Dynamique des fluides

Mots clés libres

Triphasique

Euler/Lagrange

Surface libre

Particules

Turbulence

Jet plongeant

Multi-phase

Euler/Lagrange

Free surface flows

Particules

Turbulence

Dispersion

Résumé

Ce manuscrit retranscris un travail effectué au cours d’une thèse au département MFEE d’EDF R&D sur les écoulements liquid-gaz chargés en particules dispersées sous la direction d’Olivier Simonin (IMFT), de Jérôme Laviéville (EDF) et de Nicolas Mérigoux (EDF). Le but de la thèse est de fournir un environnement de travail pour la simulation numérique d’écoulement eau-air à bulles, à phases séparés ou en régime mixte, chargé en particules qui peuvent interagir avec les fluides présents sous leur forme continue ou dispersée. Ces écoulements peuvent se retrouver aussi bien dans des situations industrielles comme des réacteurs chimiques, des centrales de production d’électricité ou des usines de traitement des eaux usées que dans des situations naturelles comme durant la crue d’un fleuve. L’outil développé permet de faire des prédictions sur les performances de ces dispositifs industriels ou sur les dégâts causés par des évènements naturels exceptionnels. Les développements sont inclus dans la version la plus à jour du code de calcul neptune_cfd, un solveur N-fluides développé par EDF, le CEA, l’IRSN et Framatome, basé sur la méthode multi-fluide standard qui permet la simulation d’écoulement à plusieurs phases indépendamment de leur typologie.Les méthodes misent en place sont basées sur des approches diphasiques bien connues. La méthode Lagrangienne stochastique de suivi de particules est adaptées pour que chaque particule puisse interagir avec toutes les champs fluides présents. Des fermetures sont proposées pour déterminer l’impact de chacune des phases sur le comportement des particules. Afin de vérifier certaines hypothèses, une nouvelle fermeture pour l’équation de Langevin sur la vitesse de fluide vue par la particule est proposée. Son comportement est comparée aux modèles standards et de la littérature sur des cas de vérification simples de turbulence homogène isotrope et des cas inhomogènes. Les équations Lagrangiennes obtenues sont utilisées pour fermer un modèle Eulerien basé sur l’approche fonction densité de probabilité. Les performances des deux modèles triphasiques développés sont établies en matière de déposition de particules pilotée par la turbulence et la gravité.Un pan entier de la thèse se concentre sur une problématique apparue durant des vérifications préliminaires: le phénomène d’entraînement d’air dans les jets plongeants. En effet, à partir d’une structure résolue, en fonction des conditions d’écoulements, des bulles ou gouttelettes dispersées peuvent apparaître. La quantité de ces structures transférées ainsi que leur taille caractéristique étant des grandeurs primordiales, il a fallu mettre en place un nouveau modèle. Le transfert de masse entre structures continues et inclusions dispersées est assuré par le modèle qui décrit l’évolution des interfaces résolues. Nous ne l’avons pas modifié. Celui qui concerne la taille des bulles/gouttelettes créées s’intègre dans l’équation d’évolution de l’aire interfaciale, grandeur qui permet de suivre le diamètre des inclusions.Tous les modèles développés sont comparés à des mesures expérimentales. Le modèle d’entraînement d’air est d’abord testé sans la présence des particules sur des cas divers. Un cas de ressaut hydraulique est aussi envisagé pour établir la généralité du modèle mis en place. Les modèles triphasiques sont testés sur des configurations variées, d’abord sans entraînement d’air pour isoler le comportement des particules puis avec tous les phénomènes. Les différents cas ont permis de mettre en valeur l’importance de certains modèles ainsi que les différences entre les méthodes Lagrangienne stochastique et Eulerienne.

This manuscript sums up work carried out during a thesis at the MFEE department of EDF R&D on liquid-gas flows laden with dispersed particles under the supervision of Olivier Simonin (IMFT), Jérôme Laviéville (EDF), and Nicolas Mérigoux (EDF). The thesis aims at providing a working environment for the numerical simulation of two-phase bubbly flows, free-surface flows or in a mixed regime, loaded with particles that can interact with the fluids present in their continuous or dispersed form. These flows can be found in industrial situations such as chemical reactors, power plants, or wastewater treatment plants, as well as in natural situations such as during a flood. The developed tool allows predictions to be made about the performance of these industrial devices or the damage caused by exceptional natural events. The developments are included in the most up-to-date version of neptune_cfd, a multi-fluid solver developed by EDF, CEA, IRSN, and Framatome, based on the standard multi-fluid method that allows the simulation of multiphase flow independently of their typology.The methods implemented are based on well-known two-phase approaches. The stochastic Lagrangian particle tracking method is adapted so that each particle can interact with all the fluids. Closures are proposed to determine the impact of each phase on the behavior of the particles. To verify certain assumptions, a new closure for the Langevin equation on the fluid velocity seen by the particle is proposed. Its behavior is compared to standard models and literature on simple verification cases of homogeneous isotropic turbulence and inhomogeneous cases. The Lagrangian equations obtained are used to close an Eulerian model based on the probability density function approach. The performance of the two developed threephase models is established in terms of particle deposition driven by turbulence or gravity.A significant part of the thesis focuses on an issue that arose during preliminary checks: the phenomenon of air entrainment in plunging jets. Indeed, due to the nature of the solver, bubbles or dispersed droplets can detach from the free-surface depending on the flow conditions. The quantity of these transferred structures and their characteristic size being crucial quantities which drives their behavior, a new model had to be developed. Mass transfer between continuous structures and dispersed inclusions is ensured by the model that describes the evolution of resolved interfaces, the latter was not modified. The one regarding the size of the created bubbles/droplets is integrated into the evolution equation of the interfacial area, a quantity that allows tracking the diameter of the inclusions.All developed models are compared to experimental measurements. The air entrainment model is first tested without the presence of particles in various cases. A hydraulic jump case is also considered to establish the generality of the model. Then, the threephase models are tested in various configurations. First, configurations without air entrainment to isolate the behavior of the particles, and then with air entrainment. The different cases highlighted the importance of certain models and the differences between stochastic Lagrangian and Eulerian methods.