mod©lisation num©rique eul©rienne des ©coulements gaz-solide

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  • N dordre : 2531

    THSE

    prsente pour obtenir

    LE TITRE DE DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE

    TOULOUSE

    cole doctorale : Transferts, dynamique des fluides, nergtique et procds.

    Spcialit : Energtique et Transferts.

    Par Gaspar PATIO-PALACIOS

    Titre de la thse Modlisation numrique eulrienne des coulements gaz-solide avec plusieurs espces de particules.

    Soutenue le 6 novembre 2007 devant le jury compos de :

    Mehrdji HEMATI Prsident

    Olivier SIMONIN Directeur de thse

    Roberto ZENIT-CAMACHO Rapporteur

    Lounes TADRIST Rapporteur

    Isabelle FLOUR Membre

  • Rsum

    La simulation des coulements polyphasiques est actuellement un enjeu scien-

    tifique, industriel et conomique important. Lobjectif de ce travail est damliorer

    la comprhension via des simulations des coulements deux ou plusieurs phases

    disperses et de proposer une contribution la modlisation et caractrisation de

    son hydrodynamique. Ltude de systmes gaz-solides fait appel des modles pour

    mettre en oeuvre linfluence des particules et les effets des collisions dans le contexte

    du transfert de quantit de mouvement. Ce type dtude est abord dans le cadre

    de ce travail de thse.

    Les simulations ralises avec le logiciel Saturne_polyphasique@Tlse dans le

    cadre du programme de collaboration entre EDF-R&D et lInstitut de Mcanique

    des Fluides de Toulouse ont permis de confirmer la faisabilit de lapproche CFD

    pour ltude hydrodynamique de systmes multiphasiques. Les tapes de validation

    concernent, dune part, la mise en oeuvre de loutil de simulation dans son tat

    actuel pour raliser des tudes de validation et de sensibilit des modles et de

    comparer les rsultats numriques avec les donnes exprimentales. Dautre part,

    le dveloppement de nouveaux modles physiques et leurs implantations dans le

    logiciel Saturne permettra loptimisation du procd industriel.

    Pour mener cette validation de faon satisfaisante, on aborde des cas de simu-

    lations cls, notamment la chambre dinjection monodisperse et la variation de la

    charge dinjection dans le cas dun coulement polydisperse, ainsi que la fluidisa-

    tion dune colonne compose de particules solides. Dans ce dernier cas, on a abord

    trois configurations de lits fluidiss denses, afin dtudier linfluence du maillage

    sur les simulations ; ensuite, on simule lopration dun lit fluidis dense avec lequel

    on caractrise la sgrgation entre deux diffrentes espces de particules. Ltude

    de linjection des coulements polydisperses prsente deux configurations ; un cou-

    lement co-courant gaz-particule dans du gaz (Cas Hishida), et dautre part, un

    coulement polyphasique dans une configuration de type jet confin avec des zones

    de recirculation et de stagnation (cas Hercule).

    Les calculs numriques ont t compars avec les donnes exprimentales dispo-

    nibles et ont montr une reproductibilit satisfaisante de la prdiction hydrodyna-

    mique des coulements multiphasiques.

    i

  • ii

  • Abstract

    The simulation of the multiphase flows is currently an important scientific, industrial

    and economic challenge. The objective of this work is to improve comprehension via

    simulations of polydispersed flows and contribute the modeling and characterizing

    of its hydrodynamics. The study of gas-solid systems involves the models that takes

    account the influence of the particles and the effects of the collisions in the context

    of the momentum transfer. This kind of study is covered on the framework of this

    thesis.

    Simulations achieved with the Saturne_polyphasique@Tlse code, developed by

    Electricit de France and co-worked with the Institut de Mchanique des Fluides de

    Toulouse, allowed to confirm the feasibility of approach CFD for the hydrodynamic

    study of the injectors and dense fluidized beds. The stages of validation concern, on

    the one hand, the placement of the tool for simulation in its current state to make

    studies of validation and sensitivity of the models and to compare the numerical

    results with the experimental data. In addition, the development of new physical

    models and their establishments in the code Saturne will allow the optimization of

    the industrial process.

    To carry out this validation in a satisfactory way, a key simulation is made, in

    particular a monodisperse injection and the radial force of injection in the case of a

    polydisperse flow, as well as the fluidization of a column made up of solid particles.

    In this last case, one approached three configurations of dense fluidized beds, in order

    to study the influence of the grid on simulations ; then, one simulates the operation

    of a dense fluidized bed with which one characterizes the segregation between two

    various species of particles. The study of the injection of the polydisperse flows

    presents two configurations ; a flow Co-current gas-particle in gas (Case Hishida),

    and in addition, a polyphase flow in a configuration of the jet type confined with

    zones of recirculation and stagnation (case Hercules).

    Numerical calculations were compared with the experimental data available and

    showed a satisfactory reproducibility of the hydrodynamic prediction of the multi-

    phasic flows.

    iii

  • iv

  • A Linda y Kevin, mis dos inspiraciones, motivaciones,

    lo ms amado y los verdaderos hroes de esta odisea.

    v

  • vi

  • Remerciements

    Je tiens tout dabord exprimer mes remerciements aux membres du jury, le

    prsident, les rapporteurs et les examinateurs, qui ont accept juger cette thse.

    Ma gratitude sadresse vers Olivier Simonin, mon Directeur de thse, qui ma

    accueilli dans son magnifique groupe de recherche et ma appris lintrt pour tout

    ce monde de la simulation numrique, ses modles et ses thories.

    Ce travail doctoral a t ralis au sein du groupe Ecoulement et Combustion de

    lInstitut de Mcanique des Fluides de Toulouse. Je suis trs reconnaissant tous

    ses membres, permanents ou temporaires en particulier Georges Charnay, Gerard

    Couteau et Florence Colombies. Chacun dentre eux dtient une part dans la russite

    de mon sjour lIMFT. Je tiens exprimer ma sincre gratitude Mose Marchal

    qui a partag avec moi de moments agrables ainsi quun bureau exemplaire par sa

    dcoration.

    Je tiens remercier tous mes collgues dans le groupe EEC pour me permettre

    dchanger des points de vue si enrichissants : Marc, Jrme, Herv, Anne Gobin,

    Anne Arbeau, Olivier, Mathieu, Mamour, Pascal, Antoine, Julien, Ridwan, Vincent,

    Rgis, Guillaume, Arthur, Vincent, Livier, ainsi que mes collgues qui maintenant

    dveloppent ses projets de thse.

    Je remercie les services CoSiNus et Reprographie ainsi que le service Adminis-

    trative et le service Comptabilit de lIMFT.

    De mme, je garde une pense et un remerciement mes parents Ana Mara et

    Alonso et mes frres Enrique, Nacho, Roco et Francisco qui ont fait de moi tout ce

    que jai et tout ce que je suis.

    Je tiens faire part de ma plus profonde gratitude Fernando, Carmen, Oscarn

    et Mara Elena qui mont partag des moments magnifiques et lambiance chaleu-

    reux dune famille, merci de tout mon coeur.

    Los diamantes de gran valor que uno se encuentra en el camino : Maricarmen y

    vii

  • Gabriel, Citlalih y Sergio, Antonino y Alejandra, Carole, Valrie et Yves, Mirella y

    Phillipe.

    Je remercie infiniment Roberto Zenit, Martine Lacoste et Catherine Colin qui

    ont trop contribu la reussite de mon diplme

    Je remercie au Conseil Nationale de Science et Technologie du Mexique (CONA-

    CyT) pour la bourse soutenu pendant tout la dure de mes tudes. Du mme, je

    remercie la Socit Franaise dExportation des Ressources Educatives (SFERE)

    pour lintrt et lchange de la connaissance scientifique. De la mme faon, toute

    ma reconnaissance et remerciements la Facultad de Ingeniera Qumica de la Uni-

    versidad Autnoma de Yucatn pour le soutien inconditionnelle.

    viii

  • ix

  • x

  • Table des matires

    NOMENCLATURE ET CONVENTIONS DECRITURE xv

    Introduction 1

    1 Caractrisation de la phase continue 7

    1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    1.2 quations de transport aux grandeurs moyennes . . . . . . . . . . . . . . . 8

    1.2.1 quations locales instantanes de la phase continue . . . . . . . . . 8

    1.2.2 Proprits de loprateur de moyenne . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

    1.2.3 Bilan de masse moyenne pour la phase fluide . . . . . . . . . . . . . 13

    1.2.4 Bilan de quantit de mouvement moyenne pour la phase fluide . . . 13

    1.2.5 Caractrisation de la turbulence. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

    1.3 Modles de Turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

    1.3.1 Modle k standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.3.2 Modle au second-ordre Rij . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.3.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

    2 Caractrisation statistique de la phase polydisperse 25

    2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

    2.2 Modle de collision microscopique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

    2.3 Thorie cintique des coulements granulaires . . . . . . . . . . . . . . . . 26

    2.3.1 Expansion des intgrales de collision. .

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