SIMULATION NUMERIQUE DE

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1 SIMULATION NUMERIQUE DE L'HYDRODYNAMIQUE ET DES TRANSFERTS DANS LES REACTEURS GAZ-PARTICULES A LIT FLUIDISE Rapport d activité pour l année 2013 Numéro de projet Responsable Scientifique Responsable Technique P0111 O. Simonin H. Neau Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse Allée du Professeur Camille Soula Toulouse olivier.simonin@imft.fr, herve.neau@imft.fr 1

2 Table des matières Présentation générale... 3 Consommation pour l année Bilan des activités scientifiques pour l année Remplissage du dôme d alimentation du moteur-fusée VINCI... 5 Injection de solide en lit fluidisé... 7 Injection de liquide dans un réacteur de polymérisation des oléfines... 8 Etude d un réacteur de carbochloration... 9 Ejecteur gaz-solide Transport du charbon Performances parallèles du code NEPTUNE_CFD V

3 PRESENTATION GENERALE Ce projet concerne la simulation numérique des écoulements réactifs multi-phasiques et en particulier les écoulements rencontrés dans les réacteurs gaz-particules à lits fluidisés. Les écoulements mis en jeu sont tridimensionnels, généralement turbulents, instationnaires, multiphasiques (gaz-particules, gaz-particules-gouttes), anisothermes et réactifs (avec la prise en compte des transferts de masse entre phases et des réactions chimiques). D un point de vue applicatif, il existe un besoin d outils de simulation 3D des écoulements à l échelle des installations industrielles pour améliorer la compréhension de leur fonctionnement actuel et participer à leur optimisation. Parallèlement, ces outils peuvent servir dans la phase de développement de nouveaux procédés pour réaliser des tests à priori de faisabilité de nouveaux concepts et contribuer à l industrialisation de procédés développés à l échelle du laboratoire (scaling-up). Ces approches connaissent un très fort développement depuis environ 10 ans, cependant leur mise en œuvre pose toujours de nombreux problèmes tant du point de vue de la validité des modèles physiques utilisés que des performances et de la précision des méthodes de résolution. Pour ce qui concerne le développement des modèles physiques, l étape de validation s avère délicate car les études expérimentales en écoulements multiphasiques à phases dispersées sont particulièrement difficiles à réaliser notamment pour les écoulements très chargés en inclusions. C est pourquoi l approche numérique est une alternative très intéressante qui a déjà permis de réaliser des progrès importants dans la compréhension et la modélisation à petite échelle de ce type d écoulements. Il existe deux grands types d approches pour simuler les écoulements multiphasiques à phases dispersées : l approche Euler/Lagrange : le calcul de l écoulement gazeux est effectué par résolution d équation eulérienne de type Navier-Stokes tandis que les particules sont traitées de façon discrète, les trajectoires individuelles sont obtenues à partir du bilan des forces qui s exercent sur chaque particule ; l approche Euler/Euler (ou modèle à n fluides) : les deux phases de l écoulement sont traitées simultanément par la résolution d un système d équations eulériennes couplées. L approche Euler/Euler est généralement plus facile à mettre en œuvre sur des configurations d écoulements de type industriel (turbulentes et/ou instationnaires, fortement chargées en inclusions, en géométrie complexe ). Mais cette approche, qui s appuie sur une étape préliminaire de moyenne statistique des équations Lagrangiennes des particules discrètes, demande de faire un assez grand nombre d hypothèses de modélisation pour représenter les effets d interaction particule/particule, particule/turbulence et particule/parois. 3

4 (micro) AVBP DNS au sein d un réseau de particules (~1 mm) LES+DPS d'écoulements fluide-particules à grand nombre d'inclusions (~10 cm) NS3D (meso) (macro ) NEPTUNE_CFD Modélisation à "n-fluides" à l'échelle industrielle (~10 m) L approche Euler/Lagrange plus coûteuse en temps calcul, particulièrement dans les écoulements fortement chargés en particules, demande en général beaucoup moins d hypothèses de modélisation et peut donc être utilisée, en particulier, pour valider l approche Euler/Euler. Le projet utilise les ressources de CALMIP depuis de nombreuses années. En 2008 nous avons évalué les performances en parallèle du code NEPTUNE_CFD V1.07@Tlse sur la machine Soleil. L installation du code a été réalisée au départ avec gfortran et LAM/MPI, puis avec ifort et le MPI natif de la machine. Les performances du code sur la machine (Soleil) ont été évaluées pour 1 à 16 processeurs sur 3 configurations différentes. Malheureusement, les performances obtenues étaient assez décevantes. Début 2009, NEPTUNE_CFD V1.07@Tlse a été utilisé comme code test pour le benchmark de renouvellement du supercalculateur de CALMIP. Les performances obtenues en parallèles sont excellentes : speed-up linéaire sur Harpertown et superlinéaire sur Nehalem. Ces performances ont aussi été obtenues sur la SGI Altix ICE du CINES ou sur des clusters HPC (AMD Shangaï et Barcelona). La nouvelle SGI Altix ICE 8200 de CALMIP permet d exploiter pleinement les performances du code NEPTUNE_CFD. Une gestion des ressources plus dédiée aux calculs parallèles a permis de réaliser des simulation de type "production" sur des maillages de plusieurs millions à l'aide de 256 à 512 coeurs. Début 2011 (après une étape de portage fin 2010), la version de production est passée de NEPTUNE_CFD V1.07@Tlse à NEPTUNE_CFD V1.08@Tlse. Cette nouvelle version intègre des améliorations au niveau algorithmique et des modèles complémentaires. Elle conserve les mêmes performances parallèles que la précédente. Courant 2011, une importante campagne de validation a été réalisée sur cette version. 4

5 CONSOMMATION POUR L ANNEE 2013 Pour l année 2013, nous avons obtenus h sur Hyperion lors de la demande initiale et h lors de la demande intermédiaire. Sur ces h, nous avons consommé h à ce jour (02/12/2013). BILAN DES ACTIVITES SCIENTIFIQUES POUR L ANNEE 2013 REMPLISSAGE DU DOME D ALIMENTATION DU MOTEUR-FUSEE VINCI Le nouveau moteur cryogénique Vinci de l étage supérieur du nouveau lanceur Ariane présente la particularité d être plusieurs fois réallumable, une fois la mise en orbite du lanceur. Le réallumage d un moteur est particulièrement difficile durant les conditions de vol spatial. Ce moteur est composé d un dôme LOX alimenté en oxygène liquide (LOX) qui est approvisionné par une vanne à boisseau positionnée en entrée d une canne d alimentation. Le mélange liquide / gaz formé dans le dôme LOX est injecté dans la chambre de combustion à travers une centaine d injecteurs reliant le dôme à la chambre. En conséquence, la distribution de l écoulement diphasique en sortie des injecteurs revêt une importance particulière en termes d allumage, de l ouverture à la fermeture de cette vanne. La prise en compte de ces conditions de vol est primordiale pour qualifier le moteur Vinci. Cependant ces conditions ne peuvent pas être reproduites de façon représentative au cours d essais au sol. Dans le cadre de ces études, un programme de recherche a été mis en place par le CNES (Centre National d Études Spatiales) et SAFRAN Snecma pour étudier le remplissage du dôme LOX, via des études expérimentales et numériques. L objectif est de connaître les conditions aux limites en sortie des injecteurs qui sont déterminantes pour appréhender la phase d allumage dans la chambre de combustion. Des expériences ont été menées au LEGI (Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels) avec des fluides de substitution (de l eau et de l air), sans transfert de masse et de chaleur, sur la maquette du dôme d alimentation d un moteur de fusée. Les travaux présentés, menés à l IMFT (Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse), tentent de reproduire les expériences réalisées à l aide de simulations numériques 3D incompressibles diphasiques. La géométrie du domaine de calcul est représentative de la maquette expérimentale, qui est composée d une canne d alimentation, d un dôme, d un allumeur et d injecteurs. Au cours de ces travaux de thèse, on a démontré la faisabilité d un calcul 3D instationnaire diphasique du remplissage du dôme oxygène du moteur-fusée Vinci avec le code industriel NEPTUNE_CFD, en prenant en compte la géométrie réelle et les phénomènes physiques prépondérants. La comparaison des prédictions avec les résultats expérimentaux a été réalisée afin d évaluer la capacité du code à prédire l écoulement à l aide des modèles de fermeture disponibles. Enfin, plusieurs études de sensibilité sur les modèles de fermeture ont été menées pour estimer leur influence sur les résultats des simulations. Un travail important a été effectué pour imposer les mêmes conditions d entrée que dans les expériences. Des études ont également été conduites sur un injecteur isolé. Pour réaliser ce travail, trois types de simulations ont été menés en parallèle. 5

6 Des simulations sur 8 nœuds (64 cores) sur un maillage complexe de cellules environ, équivalent à la maquette expérimentale du LEGI (composé d une canne d injection, d une cavité et d une centaine d injecteurs), afin de comparer les résultats numériques aux résultats expérimentaux, en se plaçant dans les mêmes conditions expérimentales. Simulation du remplissage du dôme d alimentation Des simulations sur 4 nœuds (32 cores) sur un maillage simplifié régulier à cellules environ qui conserve le volume et les sections d entrée et de sortie de la maquette expérimentale du LEGI (composée d une canne d injection, d une cavité et de quatre injecteurs), afin d effectuer des tests rapides dans des conditions simplifiées vis-à-vis des caractéristiques expérimentales. Simulation du remplissage du dôme d alimentation avec des fluides de similitude avec le maillage simplifié Des simulations sur 16 nœuds (128 cores) pour un maillage de cellules environ, afin de mener plus précisément des études de sensibilité à la modélisation des injecteurs pour mieux prédire la physique au sein d un injecteur. 6

7 Vitesse axiale de l'eau dans un injecteur (injection d'eau dans la maquette pré-remplie d'eau). Par ailleurs, des travaux sont également menés dans le cadre d une collaboration avec EDF R&D, afin d améliorer le code de recherche NEPTUNE_CFD au niveau numérique et de tenter de le rendre plus robuste aux petits pas de temps. Ce travail s est terminé avec la soutenance de thèse de Marie-Charlotte Gauffre le 12 Juillet Publications: M.-C. Gauffre, H. Neau, O. Simonin, R. Ansart, N. Meyers & S. Petitot, 2012, Numerical simulation of a 3D unsteady two-phase flow in the filling cavity in oxygen of a cryogenic rocket-engine, Proceeding, 48th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit (JPC). M.-C. Gauffre, H. Neau, O. Simonin, R. Ansart, N. Meyers & S. Petitot, Numerical simulation of a 3D unsteady two-phase flow in the filling cavity in oxygen of a cryogenic rocket-engine, Journal of Propulsion and Power, (accepté pour publication). INJECTION DE SOLIDE EN LIT FLUIDISE L injection de particules solides ou de liquide dans des lits fluidisés denses est un procédé courant dans de nombreux procédés industriels. Par exemple dans les réacteurs de polymérisation d oléfines du catalyseur qui se présente sous forme de particules solides est injecté pour favoriser la réaction. En 2013, nous avons finalisé une étude (démarrée en 2011). Cette étude consistait à analyser par simulation numérique l injection de particules solides dans un lit fluidisé dense. La particularité réside dans le design de l injecteur puisque les particules sont injectées dans la partie centrale avec de l azote et un gaz réactif, dit «gaz d assistance», est introduit en périphérie. Le gaz d assistance est là pour assurer, en théorie, une meilleure pénétration des particules dans le lit dense afin de mieux disperser le catalyseur dans la phase la plus réactive. Les simulations ont été réalisées avec un maillage de cellules afin de représenter finement l injecteur. La simulation numérique a mis en évidence que l augmentation du débit du gaz d assistance réduisait la pénétration du catalyseur. En effet, ce type d écoulement est similaire à un jet co-courant de type bluff-body 7

8 avec la formation d un écoulement à contre-courant face à l injecteur qui s oppose à la pénétration des particules. Champs de concentration de catalyseur. A gauche le débit de l écoulement co-courant est standard et à droite il est doublé. Simulation réalisée avec NEPTUNE_CFD. De plus, nous avons montré que l injection de solide ne détruisait pas la structure interne de l écoulement dans le lit fluidisé (pas de phénomène de dé-fluidisation). Enfin, nous avons analysé comment les particules de catalyseur étaient mises en contact préférentiellement avec le gaz de fluidisation ou avec le gaz d assistance. Ces résultats ont fait l objet d une communication orale et écrite à l occasion de la conférence internationale ICMF Publications Zeren, Z., Ozel, A., Sarthou, A., Fede, P., Neau, H., Simonin, O., Chamayou, J.L., Ghouila, I., 2013, "3D Numerical Simulation of Catalyst Injection into a Dense Fluidized Bed", Proc. 8th International Conference on Multiphase Flow, ICMF 2013, Jeju (Korea), paper n 331. INJECTION DE LIQUIDE DANS UN REACTEUR DE POLYMERISATION DES OLEFINES Dans les réacteurs de polymérisation la température du lit joue un rôle essentiel sur la performance du réacteur. Le contrôle de la température se fait généralement par injection de liquide qui en se vaporisant diminue la température. Ceci permet notamment d éviter des surchauffes conduisant à la formation d agrégats de polymère. Depuis quelques années nous nous intéressons à cette problématique de l injection de liquide dans les lits fluidisés denses. Les travaux précédents ont été réalisés sur un pilote non réactif pour lequel des données expérimentales étaient disponibles. Ces études nous nous en particulier permis de tester la mise en œuvre du modèle d évaporation du liquide en lit fluidisé dense qui pose des problèmes de robustesses numériques et de représentativité physique. Ces résultats ont fait l objet d une communication orale et écrite à l occasion de la conférence internationale ICMF Le code NEPTUNE_CFD a ensuite été mis en œuvre afin de réaliser des simulations à l échelle industrielle avec injection de liquide et prise en compte de l effet exothermique de la réaction de polymérisation. Pour la géométrie du réacteur industriel donnée par INEOS, l injection se fait par 6 buses à injection radiale réparties tout autour du réacteur. Dans ce contexte, un objectif de l étude consiste, en particulier, dans l étude des interactions entre les injecteurs. Un maillage a été réalisé comprenant cellules. Les simulations ont été effectuées avec 32 nœuds (256 cœurs) et le coût en temps de restitution est à peu près 7 jours pour 100s physique. 8

9 Ces résultats ont fait l objet d une communication orale et écrite à l occasion de la conférence internationale ICMF Champ instantané de fraction volumique des particules solides Publications: Champ instantané de fraction volumique du liquide injecté Ozel, A. Sarthou, Z. Zeren, P. Fede, O. Simonin, I. Ghouila and J.-L. Chamayou, 2013, Numerical Study of Heat and Mass Transfers in a 3D Dense Gas-Solid-Liquid Fluidized Bed, ICMF 2013, Jeju, Korea. ETUDE D UN REACTEUR DE CARBOCHLORATION Ce projet s inscrit dans une collaboration entre l IMFT et AREVA. Il s agit d étudier l hydrodynamique d un réacteur de carbochloration. Le but de cette étude est de simuler la fluidisation anisotherme réactive d un mélange zircon-noir carbone en présence de chlore avec le code NEPTUNE_CFD. Sur la période , des expériences ont été réalisées à l Université Technologique de Compiègne (UTC) sur un pilote froid au sein duquel l étude de la fluidisation est réalisée sans réaction. Lors de cette campagne d essais des mesures de hauteurs de lit ont été réalisées à partir d un système de flotteur avec un pointeur laser. 9

10 En 2013, nous avons réalisé des simulations numériques avec le code de calcul NEPTUNE_CFD sur cette nouvelle géométrie. Le maillage contient près de cellules de calcul. Plusieurs types de poudre et de mélange de poudre ont été étudiés. Les premiers résultats montrent que la forte non-sphéricité des particules doit jouer un rôle important dans l hydrodynamique globale de ce type de lits fluidisés. Les premiers résultats de cette étude ont fait l objet d une communication orale et écrite à l occasion de la conférence internationale ICMF Publications: P. Fede, R. Ansart, O. Simonin, S. Lagarde, I. Ronga, 2013, Modelling of the dense fluidized bed of very small particles, ICMF 2013, Jeju, Korea. EJECTEUR GAZ-SOLIDE En septembre 2013, un nouveau projet a démarré sur la simulation numérique d un éjecteur gaz-solide. Dans le procédé de polymérisation, les particules fines sont séparées par un cyclone. En sortie du cyclone, un système appelé «éjecteur» est chargé d entraîner le solide avant de le ré-injecter dans le lit fluidisé. La principale question posée par le partenaire industriel concerne l évolution de l efficacité de l éjecteur en fonction de la charge de solide de l écoulement issu du cyclone. En effet, l éjecteur a été dimensionné et caractérisé en écoulement monophasique gazeux et son fonctionnement en écoulement gaz-particule est très mal connu. Depuis septembre, nous avons réalisé le maillage de l éjecteur qui comporte à peu près cellules de calcul. Dans la géométrie nous avons représenté la base du cyclone (entrée gaz et solide), l arrivée du gaz moteur (entrée de gaz pur) et la sortie de l éjecteur. Nous avons testé plusieurs méthodologies pour la mise en œuvre des calculs qui consistent soit à imposer les débits en entrées et à mesurer les pressions simulées, soit à imposer les pressions en entrées et à mesurer les débits simulés. Les premiers calculs ont été réalisés en monophasique et nous avons comparé nos résultats à une courbe théorique fournie par le constructeur qui donne le ratio entre le débit entrainé et le débit du gaz moteur en fonction du ratio entre les pressions mesurées en sortie de cyclone et à l arrivée du gaz moteur. Les simulations numériques sont en accord qualitatif satisfaisant avec la courbe théorique fournie. Les étapes prioritaires suivantes consistent, d une part, dans l amélioration de la représentativité du maillage de calcul en fonction des nouvelles données géométriques de l injecteur fournie par INEOS et, d autre part, dans la prise en compte de la charge de solide dans l écoulement en sortie du cyclone afin d étudier son effet sur cette courbe de perte de charge. TRANSPORT DU CHARBON Depuis 2008, nous travaillons en collaboration avec ESKOM (Afrique du Sud) et l Université de Witts (Johannesburg) sur la modélisation et la simulation du transport du charbon pulvérisé dans les centrales à flamme (stabilité de flamme, production de polluant,...). Dans les centrales à charbon pulvérisé il a été observé un déséquilibre de la charge arrivant aux 10

11 brûleurs qui peut avoir un effet très néfaste sur la combustion en termes de stabilité de flamme et de production de polluants et d imbrulés. Afin d améliorer l équilibrage des systèmes mécaniques complexes sont installés. Malgré ceux-ci des mesures ont montré la persistance d un déséquilibre qui reste très difficile à maitriser. Afin d étudier ce phénomène nous avons réalisé des simulations numériques de la partie amont des injecteurs. La géométrie va de la sortie du broyeur jusqu à la boite de distribution qui est chargée d équilibrer la charge de charbon. Les premières simulations ont été réalisées sur la période et ont permis de mettre en évidence le déséquilibre de débit de charbon en sortie du répartiteur. La poursuite de cette collaboration s est traduite en 2013 par la venue de Reshendren Naidoo, enseignant-chercheur à l Université de Witts en Afrique du Sud. Durant son séjour de 3 mois, Reshendren Naidoo a utilisé les ressources informatiques de CALMIP afin de réaliser des simulations pour étudier l effet la masse volumique du charbon, du débit de gaz et de solide. De plus, il a pu réaliser les premières simulations polydisperses afin d étudier l influence de la distribution en tailles des particules générées par le broyeur. 11

12 PERFORMANCES PARALLELES DU CODE NEPTUNE_CFD V1.08 Durant cette année, une évaluation des performances parallèles du code (HPC) a été menée en utilisant les ressources de CALMIP ainsi que celles du CINES et de PRACE (Curie Fat Nodes). Des maillages comptant jusqu à de cellules ont été utilisés pour évaluer ces performances jusqu à cœurs. Une excellent scalabilité de NEPTUNE_CFD a ainsi été démontrée au moins jusqu à cœurs. Les résultats de cette étude ont fait l objet d une communication orale et écrite à l occasion de la «14th International Conference on Fluidization 2013». Publications: H. Neau, P. Fede, J. Laviéville and O. Simonin, 2013, High Performance Computing (HPC) for the Fluidization of Particle-Laden Flows, 14th International Conference on Fluidization, Noordwijkerhout, The Netherlands. 12