Transferts de masse et d'énergie aux interfaces liquide / vapeur avec changement de phase : proposition de modélisation aux grandes échelles des interfaces, Heat and mass transfers at liquid/vapor interfaces with phase-change : proposal for a large-scale modeling of interfaces.

Guillaume Bois

Description

Sous la direction de Olivier Lebaigue
Thèse soutenue le 04 février 2011: Grenoble
La modélisation des transferts thermiques en écoulements diphasiques est l'une des pierres angulaires de l'étude de la sûreté des réacteurs nucléaires. À l'échelle du réacteur, elle repose sur des corrélations expérimentales. L'utilisation croissante de la mécanique des fluides numérique pour les études de sûreté renforce la demande d'expertise dans les outils de simulation, en particulier du point de vue de la modélisation. En soutien aux modèles moyennés à deux fluides, nous souhaitons apporter des informations de fermetures locales pour considérer la physique des transferts interfaciaux et les effets 3D. Pour cela, comme la résolution directe des équations de bilan locales par SND est trop coûteuse, nous souhaitons développer un outil de SGE diphasique pour modéliser les petites échelles turbulentes et les petites déformations interfaciales. Comme le changement de phase est à l'origine de l'écoulement diphasique pour les applications visées, nous étendons dans ce mémoire le modèle Interfaces and Subgrid-Scales (ISS, Toutant et al., 2009a) aux interfaces avec changement de phase, pour lesquelles l'hypothèse de continuité de la vitesse à l'interface n'est plus valable. Le suivi explicite des interfaces permet d'évaluer précisément les transferts comme le taux de transfert de masse. Dans un premier temps, nous établissons une description mésoscopique du problème où l'interface est diffuse en filtrant les équations locales instantanées et en modélisant les transferts sous-filtres aux interfaces. Les principales difficultés de modélisations proviennent (i) de la détermination de la vitesse de l'interface, (ii) de l'effet de la discontinuité des vitesses sur les modèles sous-maille, (iii) de la discontinuité du flux et (iv) de la condition de saturation de l'interface. Les modèles proposés sont qualifiés a priori en observant leur prédiction par filtrage explicite de solutions de SND. Dans un deuxième temps, nous établissons un système macroscopique discontinu équivalent au problème diffus pour bénéficier de l'expertise acquise pour les méthodes numériques de SND. Aux interfaces, les modèles sous-maille sont concentrés pour modifier les conditions de raccord entre les phases. Les conditions de saut ainsi déterminées montrent que la vitesse de l'interface est affectée par la courbure et par le saut de vitesse. Un saut de vitesse tangentielle est introduit pour modéliser la couche limite dynamique. Sur le plan thermique, nous retrouvons la condition de saturation caractéristique du changement de phase ; le taux de changement de phase ne dépend plus uniquement du saut de flux conductif mais, pour pallier la sous-résolution de la couche limite thermique au voisinage de l'interface, nous proposons de lui ajouter la contribution sous-maille des corrélations vitesse/température. Comme en SGE monophasique, le gain apporté par la modélisation ISS permet d'envisager l'utilisation de simulations fines pour des problèmes appliqués. C'est la première étape d'une démarche multi-échelle pour fournir des fermetures aux modèles moyennés à deux fluides. Nous illustrons son potentiel sur une SND multi-bulles complexe.
-Laboratoire de Modélisation et de Développement des Logiciels
-Changement de phase
-Front-Tracking
-Conditions de saut
-SGE
-Corrélation nombre de Nusselt
Modeling heat and mass transfer in two-phase flows with phase-change is crucial in many industrial studies including nuclear safety. Only averaged two-phase flow models can simulate such complex flows. Their accuracy depends in particular on closure laws for interfacial mass, momentum, and energy transfers that often rely on experimental correlations. Supporting averaged models, the goal of this thesis is to bring local closure information from finer simulations to consider 3D-effects and interfacial transfers more accurately. In this prospect, as direct resolution of the local balance equations is too expensive, we seek for a two-phase equivalent of Large Eddy Simulation (LES) in order to tackle simulations with enough bubbles to extract statistics needed in averaged models. Applying a spatial filter, we aim at modeling subgrid turbulence and interfacial transfers. The largest turbulent scales and interface deformations are captured because the filter size is chosen in-between the Kolmogorov scale and the bubble size. Because of the importance of the phase-change phenomena, this thesis extend the Interfaces and Subgrid Scales (ISS) model proposed by Toutant et al. (2009a) to non-material interfaces, i. e., with phase-change. Explicit interface tracking is valuable to accurately estimate interfacial transfers such as the phase-change rate. In the first part of this document, we establish a smeared-interface description of two-phase flows. Sub-grid transfers and interfacial deformations are modeled using the modified Bardina et al. (1983) scale-similarity hypothesis. Main modeling issues comes from (i) the specific interfacial velocity, (ii) the velocity and the temperature gradient discontinuities at the interface and (iii) the saturation condition of the interface. Models are validated using reference data from DNS. In the second up-scaling step, we transform interfacial subgrid models into source terms in the jump conditions in order to establish an equivalent discontinuous model thus benefitting from the knowledge acquired in DNS numerical methods. Transfers between phases are modified and the interfacial velocity is redefined considering the time evolution of curvature and the velocity jump at the interface. As a result, the normal momentum jump is modified. A tangential velocity jump is also introduced to cancel out the sub-resolution of the boundary layer. From a thermal point of view, the classical saturation condition is recovered ; the phase-change rate not only depends on the conduction heat flux but a contribution from the subgrid velocity and temperature correlations must be added to account for the poor resolution of the thermal boundary layer. As for single-phase LES, ISS modeling enables local-scale simulations of industrial configurations. It is the first step of a multi-scale approach towards turbulent bubbly flows. In this thesis, we illustrates how to bridge the gap between DNS and averaged descriptions from reference results obtained on condensing bubbles in a pseudo-turbulent subcooled liquid. Averaged quantities are compared with correlations for the condensation sink term used in the two-fluid model. We are able to underline the phase-change enhancement with increasing void fraction. It shows that this path could be used to improve the understanding of the strong two-way coupling between flow dynamics and interfacial heat transfers.
-Two-phase flow
-Phase-change
-Front-tracking
-Jump conditions
-LES
-Condensation sink term
Source: http://www.theses.fr/2011GRENI040/document

Sujets

• Changement d'état
• Phase-change cooling

Informations

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• Nombre de lectures: 178
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : Mécanique des fluides, Énergétique, Procédés
Arrêté ministériel : 7 août 2006


Présentée par
Guillaume BOIS


Thèse dirigée par Olivier LEBAIGUE

préparée au sein du laboratoire :
Commissariat à l’Énergie Atomique
Direction de l’Énergie Nucléaire
Département d’Études des Réacteurs
Service de Simulation en ThermoHydraulique
Laboratoire de Développement et d’Applications à l’échelle Locale

dans l'École Doctorale Ingénierie - Matériaux Mécanique
Énergétique Environnement Procédés Production

Transferts de masse et d’énergie
aux interfaces liquide/vapeur
avec changement de phase :
proposition de modélisation aux
grandes échelles des interfaces

Thèse soutenue publiquement le 4 février 2011,
devant le jury composé de :
Pr. Catherine COLIN IMFT, Président du jury
et rapporteur
Dr. François-Xavier DEMOULIN CORIA, Rapporteur
Pr. Emmanuel MAITRE UJF, Examinateur
Dr. Olivier LEBAIGUE CEA Grenoble, Directeur de thèse
Dr. Didier JAMET CEA Grenoble, Encadrant
Dr. Adrien TOUTANT PROMES-CNRS, Examinateur
Dr. Pierre RUYER IRSN, Examinateur

tel-00627370, version 1 - 28 Sep 2011UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
INSTITUT POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE
◦N attribué par la bibliothèque
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Mémoire deTHÈSE
pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université de Grenoble
délivré par l’Institut polytechnique de Grenoble
spécialité : Mécanique des fluides, Énergétique, Procédés
préparée au laboratoire : Commissariat à l’Énergie Atomique
Direction de l’Énergie Nucléaire
Département d’Études des Réacteurs
Service de Simulation en ThermoHydraulique
Laboratoire de Développement et d’Applications à l’échelle Locale
dans le cadre de l’École Doctorale : Ingénierie - Matériaux Mécanique Énergétique
Environnement Procédés Production
Présentée et soutenue publiquement
par
Guillaume BOIS
le 4 février 2011
Directeur de thèse : Olivier Lebaigue
Transferts de masse et d’énergie aux interfaces
liquide/vapeur avec changement de phase :
proposition de modélisation aux grandes échelles
des interfaces
JURY
Pr. Catherine Colin IMFT Rapporteur
Dr. François-Xavier Demoulin CORIA Rapp
Pr. Emmanuel Maitre UJF Président du jury
Dr. Olivier Lebaigue CEA Grenoble Directeur de thèse
Dr. Didier Jamet CEA Grenoble Encadrant
Dr. Adrien Toutant PROMES-CNRS Examinateur
Dr. Pierre Ruyer IRSN Examinateur
tel-00627370, version 1 - 28 Sep 2011tel-00627370, version 1 - 28 Sep 2011Résumé
La modélisation des transferts thermiques en écoulements diphasiques est l’une des pierres angulaires de l’étude de
la sûreté des réacteurs nucléaires. À l’échelle du réacteur, elle repose sur des corrélations expérimentales. L’utilisation
croissante de la mécanique des fluides numérique pour les études de sûreté renforce la demande d’expertise dans les outils
de simulation, en particulier du point de vue de la modélisation.
En soutien aux modèles moyennés à deux fluides, nous souhaitons apporter des informations de fermetures locales pour
considérer la physique des transferts interfaciaux et les effets 3D. Pour cela, comme la résolution directe des équations
de bilan locales par SND est trop coûteuse, nous souhaitons développer un outil de SGE diphasique pour modéliser les
petites échelles turbulentes et les petites déformations interfaciales. Comme le changement de phase est à l’origine de
l’écoulement diphasique pour les applications visées, nous étendons dans ce mémoire le modèle Interfaces and Subgrid-
Scales (ISS, Toutant et al., 2009a) aux interfaces avec changement de phase, pour lesquelles l’hypothèse de continuité
de la vitesse à l’interface n’est plus valable. Le suivi explicite des interfaces permet d’évaluer précisément les transferts
comme le taux de transfert de masse.
Dans un premier temps, nous établissons une description mésoscopique du problème où l’interface est diffuse en filtrant
les équations locales instantanées et en modélisant les transferts sous-filtres aux interfaces. Les principales difficultés de
modélisations proviennent (i) de la détermination de la vitesse de l’interface, (ii) de l’effet de la discontinuité des vitesses
sur les modèles sous-maille, (iii) de la discontinuité du flux et (iv) de la condition de saturation de l’interface. Les modèles
proposés sont qualifiés a priori en observant leur prédiction par filtrage explicite de solutions de SND.
Dans un deuxième temps, nous établissons un système macroscopique discontinu équivalent au problème diffus pour
bénéficier de l’expertise acquise pour les méthodes numériques de SND. Aux interfaces, les modèles sous-maille sont
concentrés pour modifier les conditions de raccord entre les phases. Les conditions de saut ainsi déterminées montrent
que la vitesse de l’interface est affectée par la courbure et par le saut de vitesse. Un saut de vitesse tangentielle est
introduit pour modéliser la couche limite dynamique. Sur le plan thermique, nous retrouvons la condition de saturation
caractéristique du changement de phase; le taux de changement de phase ne dépend plus uniquement du saut de flux
conductif mais, pour pallier la sous-résolution de la couche limite thermique au voisinage de l’interface, nous proposons
de lui ajouter la contribution sous-maille des corrélations vitesse/température.
Comme en SGE monophasique, le gain apporté par la modélisation ISS permet d’envisager l’utilisation de simulations
fines pour des problèmes appliqués. C’est la première étape d’une démarche multi-échelle pour fournir des fermetures aux
modèles moyennés à deux fluides. Nous illustrons son potentiel sur une SND multi-bulles complexe.
Mots clés : Écoulement diphasique, Front-Tracking, changement de phase, conditions de saut, SND, SGE, similarité
d’échelles, pseudo-turbulence, condensation, corrélation, nombre de Nusselt, tests a priori.
Abstract
Modeling heat and mass transfer in two-phase flows with phase-change is crucial in many industrial studies including
nuclear safety. Only averaged two-phase flow models can simulate such complex flows. Their accuracy depends in parti-
cular on closure laws for interfacial mass, momentum, and energy transfers that often rely on experimental correlations.
Supporting averaged models, the goal of this thesis is to bring local closure information from finer simulations to consider
3D-effects and interfacial transfers more accurately. In this prospect, as direct resolution of the local balance equations
is too expensive, we seek for a two-phase equivalent of Large Eddy Simulation (LES) in order to tackle simulations with
enough bubbles to extract statistics needed in averaged models. Applying a spatial filter, we aim at modeling subgrid
turbulence and interfacial transfers. The largest turbulent scales and interface deformations are captured because the
filter size is chosen in-between the Kolmogorov scale and the bubble size.
Because of the importance of the phase-change phenomena, this thesis extend the Interfaces and Subgrid Scales (ISS)
model proposed by Toutant et al. (2009a) to non-material interfaces, i.e.,with phase-change. Explicit interface tracking
is valuable to accurately estimate interfacial transfers such as the phase-change rate.
Inthe firstpart ofthisdocument,weestablishasmeared-interfacedescriptionoftwo-phaseflows.Sub-gridtransfersand
interfacial deformations are modeled using the modified Bardina et al. (1983) scale-similarity hypothesis. Main modeling
issues comes from (i) the specific interfacial velocity, (ii) the velocity and the temperature gradient discontinuities at the
interface and (iii) the saturation condition of the interface. Models are validated using reference data from DNS.
In the second up-scaling step, we transform interfacial subgrid models into source terms in the jump conditions in order
to establish an equivalent discontinuous model thus benefitting from the knowledge acquired in DNS numerical methods.
Transfers between phases are modified and the interfacial velocity is redefined considering the time evolution of curvature
and the velocity jump at the interface. As a result, the normal momentum jump is modified. A tangential velocity jump
is also introduced to cancel out the sub-resolution of the boundary layer. From a thermal point of view, the classical
saturation condition is recovered; the phase-change rate not