Modélisation et simulations résolues d'écoulement fluide-particules : du régime de Stokes aux lits fluidisés anisothermes

Modelling and resolved simulations of fluid-particles flow from the Stokes regime to anisothermal fluidised beds

• Auteur / Autrice : Edouard Butaye
• Direction : Adrien Toutant, Françoise Bataille, Samuel Mer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 09/12/2024
• Etablissement(s) : Perpignan
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (Perpignan)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Simonin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Flamant, Jean-Lou Pierson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Corre, Stéphane Abide

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulations numériques directes avec particules résolues

Transfert de chaleur

Simulation par ordinateur

Écoulement diphasique

Fluidisation

Mots clés libres

Lits fluidisés

Écoulements anisothermes

Écoulements diphasiques

Dem

Pr-Dns

Simulations numériques directes

Particules résolues

Front-Tracking

Transferts de chaleur pariétaux

Fluidized bed

Anisothermal flows

Two-Phase flows

Dem

Pr-Dns

Direct numerical simulation

Resolved particles

Front-Tracking

Parietal heat transfers

Résumé

Les centrales solaires à tour utilisent le flux solaire concentré pour chauffer un fluide caloporteur et générer de l'électricité grâce à un cycle thermodynamique. Pour augmenter le rendement de conversion thermique/électrique, on cherche à augmenter la température de sortie du récepteur à au moins 800°C. Une alternative aux fluides conventionnels réside dans l'utilisation de particules fluidisées par de l'air pour ainsi augmenter la température de travail et maximiser le transfert de chaleur pariétal. Les particules solides utilisées peuvent supporter des températures dépassant les 1000°C sans dégradation de leurs propriétés physiques et peuvent également stocker efficacement la chaleur. Pour répondre à ces enjeux, il est nécessaire de caractériser l'écoulement au sein du tube récepteur ainsi que les mécanismes physiques de transfert de chaleur dans ces configurations. Ce travail s'intéresse particulièrement à la description locale des écoulements anisothermes fluide-particules à l'aide de simulations numériques directes en particules résolues (PR-DNS) réalisées en calcul hautes performances. Des améliorations de l'outil permettant de réaliser des simulations résolues de ces écoulements sont tout d'abord apportées au code pour calculer des grandeurs d'intérêts et optimiser la méthode. Ensuite, plusieurs configurations de lits fluidisés liquide-solide sont étudiées pour caractériser extensivement la dynamique de l'écoulement. Les transferts thermiques pariétaux sont également capturés ainsi que les transferts thermiques entre le fluide et les particules. Des configurations gaz-solide sont étudiées afin de valider l'outil de simulation numérique pour modéliser ces écoulements. Finalement, une nouvelle échelle de résolution est proposée, en particules résolues avec une correction sous-mailles (PR-SCS). Cette échelle permet de modéliser précisément les efforts hydrodynamiques malgré une résolution grossière.

Solar tower power plants harness concentrated solar flux to heat a fluid and generate electricity through a thermodynamic cycle that generates steam and drives a turbo-alternator. To increase thermal/electrical conversion efficiency, it is a required to raise the receiver outlet temperature to at least 800°C. An alternative to conventional fluids is to use air-fluidized particles to raise the working temperature and maximize parietal heat transfer. The solid particles used can withstand temperatures in excess of 1000°C without degrading their physical properties, and store heat efficiently. To meet these challenges, it is necessary to characterize the flow within the receiving tube, as well as the physical mechanisms of heat transfer in these configurations. This work focuses on the local description of anisothermal fluid-particle flows using particle-resolved direct numerical simulations (PR-DNS) with high-performance computing. Improvements are first implemented in the code to compute quantities of interest and optimize the numerical method. Next, several liquid-solid fluidized bed configurations are studied to extensively characterize flow dynamics. Parietal heat transfers are also computed as well as fluid-particle heat transfers. Gas-solid configurations are studied to validate the numerical simulation tool for modeling these flows. Finally, a new scale of resolution is proposed, referred to as Particle Resolved - Subgrid Corrected Simulation (PR-SCS). This scale enables hydrodynamic forces to be accurately modeled despite the coarse resolution.