JSFT : Intensification des transferts dans les échangeurs thermiques Concept innovant d échangeur/réacteur avec contrôle passif dynamique par générateurs Sébastien Menanteau Le 20 Juin 2013, Paris
Programme de Recherche et collaborations 2010-2013 Projet Interdisciplinaire Exploratoire Vorflex : Mines Douai, Département Energétique Industrielle : J-L Harion, S. Russeil, D. Bougeard, C. Habchi Laboratoire Thermocinétique de Nantes : T. Lemenand, D. Della Valle, H. Peerhossaini 2012-2015 Thèse de Samer Ali, en collaboration internationale avec : Mines Douai, Département Energétique Industrielle : J-L Harion, S. Menanteau Laboratoire Thermocinétique de Nantes : T. Lemenand Lebanese International University : C. Habchi 2
Eléments de contexte Amélioration des performances en termes de : Transferts de chaleur Propriétés de mélange Méthodes classiquement employées [1,2] : Méthodes passives [3], actives [4], méthodes couplées Manipulation de la structure de l écoulement : Modification de l écoulement principal (modifications géométriques, variations de pression, etc.) Introduction d écoulements secondaires (jets pariétaux, ajouts de protrusions, etc.) [1] Webb, 1994, Wiley [2] Jacobi and Shah, 1995, Exp. Therm. Fluid Sci. [3] Liu and Sakr, 2013, Ren. Sust. En. Rev. [4] Léal et al., 2013, Int. J. Heat Mass Tran. 3
Eléments de contexte Application aux échangeurs/réacteurs multifonctionnels [5,6,7] : Géometrie de l échangeur-mélangeur avec promoteurs de tourbillons pariétaux [7] Schémas des structures tourbillonnaires longitudinales Produites en aval d un promoteur trapézoïdal [8] Comparaison expérimentale [5] et numérique [6] des structures cohérentes produites par les promoteurs [5] Mokrani et al., 2009, Chem. Eng. Proc. [6] Habchi et al., 2010, Chem. Eng. Proc. Facteur de Colburn obtenu expérimentalement pour plusieurs valeurs de nombre de Reynolds [7] comparaison avec d autres échangeurs [8] [7] Ghanem et al., 2013, Ren. Energy [8] Mohand kaci et al., 2010, Int. J. Heat Mass Tran. 4
Eléments de contexte Application aux échangeurs/réacteurs multifonctionnels : Intensification des échanges par voies passives [8] : Différentes distributions de promoteurs dans la conduite d échangeur [8] Intensification des échanges par voies passives dynamiques : Mise en place de promoteurs flexibles [8 ] Habchi et al., 2012, Chem. Eng. Proc 5
Eléments de contexte Objectifs Intensification des échanges (chaleur / mélange d espèces) Perturbation d un écoulement laminaire vers un état chaotique? Turbulent? Production de perturbations auto-entretenues dans l écoulement Problématiques Mesures expérimentales difficiles à réaliser Littérature sur l interaction fluide-structure peu abondante pour ce genre de configuration Besoin de données locales pour la compréhension des phénomènes d interaction Modélisation de l interaction fluide-structure par simulations numériques 6
Plan de l exposé 1. Etudes numériques avec interaction fluide structure : état de l art 2. Présentation de la méthode de couplage fluide-structure 3. Couplage thermique conducto-convectif 4. Application au mélange d un scalaire passif 7
1. Etudes numériques avec interaction fluide-structure Approches lagrangiennes Exemple de modélisation par méthode SPH (Smooth Particles Hydrodynamics) [9] : Parois rigides Domaine fluide Structure flexible Configuration numérique initiale [9] t=0,08 sec. t=0,4 sec. Résultats instantanés issus de la description lagrangienne de l interaction fluide-structure [9] Approches couplées lagrangienne-eulerienne (ALE) Approches monolithiques ou directes [10] [9] Antoci et al., 2007, Comp. Struct. [10] Rugonyi and Bathe, 2001, Comp. Model Eng. Sci. 8
1. Etudes numériques avec interaction fluide-structure Approches couplées lagrangienne-eulérienne (ALE) Approches partitionnées Méthodes de résolution par éléments finis [10,11] Méthodes de résolution volumes finis/éléments finis par couplage de codes de calculs mécanique des fluides et de mécanique du solide [12,13] Méthodes de résolution par volumes finis [14,15] [10] Rugonyi and Bathe, 2001, Comp. Model Eng. Sci. [11] Taylor et al., 1998, Comp. Meth. Appli. Mech. Eng. [12] Yvin, 2010, 12 eme J. Hydrodynamique [13] Pereira-Gomes et al., 2011, J. Fluid Struct. [14] Slone et al., 2003, Math. Model. [15] Tukovic and Jasak, 2007, Trans. FAMENA 9
2. Présentation de la méthode de couplage fluide-structure Algorithme partitionné pour le calcul de l interaction fluide-structure Couplage des solveurs Solveur fluide Imposition des contraintes aux conditions limites Imposition des contraintes aux conditions limites Solveur structure élastique Déformation automatique du maillage Déplacement de la structure élastique Modification du maillage fluide 10
2. Présentation de la méthode de couplage fluide-structure Algorithme partitionné pour le calcul de l interaction fluide-structure Solveur fluide Imposition des contraintes aux conditions limites Solveur structure élastique Couplage des solveurs Imposition des contraintes aux conditions limites Solveur fluide Arbitrary Lagrangian Eulerian Method U t f U t f. U f 0 p U. U U 2 f f f f f. U f 0 p U U U U 2,. f m f f f f f Déformation automatique du maillage Déplacement de la structure élastique Modification du maillage fluide 11
2. Présentation de la méthode de couplage fluide-structure Algorithme partitionné pour le calcul de l interaction fluide-structure Solveur fluide Imposition des contraintes aux conditions limites Solveur structure élastique Couplage des solveurs Imposition des contraintes aux conditions limites Solveur structure élastique 2 d 2 t s U t s 1. U U f s s s s b 1 T T. s ds s ds s ds. ds s 1 T tr d tr d. d. I d f 2 s s s s s s b U U m, s m, f Déformation automatique du maillage Déplacement de la structure élastique Modification du maillage fluide. 0 U m s d s d f f 12
2. Présentation de la méthode de couplage fluide-structure Algorithme partitionné pour le calcul de l interaction fluide-structure Solveur fluide Imposition des contraintes aux conditions limites Couplage des solveurs Imposition des contraintes aux conditions limites Couplage à l interface fluide-structure Vitesses des maillages identiques U Contraintes à m, s m, f s d s U d f f Solveur structure élastique Déformation automatique du maillage Déplacement de la structure élastique Modification du maillage fluide Déformation du maillage : lissage de Laplace. 0 U m 13
2. Présentation de la méthode de couplage fluide-structure Validation sur cas test paroi structure flexible 0,02 m parois 0,41 m U laminaire Profil parabolique 0,1 m 0,35 m 2,5 m Paramètres Valeurs Domaine Solide Domaine Fluide ρ s (kg/m 3 ) 10 000 Coefficient de Poisson 0,4 Module d Young (Pa) 1,4.10 6 ρ f (kg/m 3 ) 1000 v f (m 2 /s) 0,001 Vitesse débitante (m/s) 1 14
2. Présentation de la méthode de couplage fluide-structure Comparaison des résultats obtenus Formulation ALE Formulation Updated ALE 15
2. Présentation de la méthode de couplage fluide-structure Comparaison des résultats obtenus 16
2. Présentation de la méthode de couplage fluide-structure Comparaison des résultats obtenus 17
3. Couplage thermique conducto-convectif Méthode de Schwartz pour la décomposition de la condition limite Dirichlet- Neumann alternative Schwarz decomposition method. 18
3. Couplage thermique conducto-convectif Premiers résultats paroi structure flexible 0,02 m parois T(init)=300 K 0,41 m U laminaire Profil parabolique T = 300K 0,1 m 0,35 m 2,5 m Domaine Solide Domaine Fluide Paramètres Valeurs ρ s (kg/m 3 ) 10 000 Coefficient de Poisson 0,4 Module d Young (Pa) 1,4.10 6 ρ f (kg/m 3 ) 1000 v f (m 2 /s) 0,001 Vitesse débitante (m/s) 1 T=350 K 19
3. Couplage thermique conducto-convectif Premiers résultats 20
3. Implémentation du couplage thermique conducto-convectif Premiers résultats 21
4. Application au mélang d un calaire passif Introduction de promoteurs souples dans un canal 2D [16] Habchi et al.,2013, Comp. Fluid [17] Habchi et al., Submitted, Appl. Therm. Eng. c=0 c=1 U laminaire Profil parabolique Promoteurs flexibles Parois 22
4. Application au mélang d un calaire passif Introduction de promoteurs souples dans un canal 2D [16] Habchi et al.,2013, Comp. Fluid [17] Habchi et al., Submitted, Appl. Therm. Eng. Promoteurs rigides Promoteurs flexibles 23
Conclusions Mise au point d un solveur au moyen d OpenFOAM qui : Modélise l interaction fluide avec une structure flexible Modélise le transfert de chaleur couplé fluide-structure Modélise le mélange d un scalaire passif Développements en cours & Perspectives Tests du solveur sur des configurations 3D Parallélisation du solveur pour accroitre la rapidité de calcul sur des configurations 3D Mise au point d une solution technique passive (pas d apport supplémentaire d énergie au système) avec apport d une dynamique supplémentaire par rapport aux configurations classiques Optimisation de la mise en place des promoteurs flexibles Génération d un mouvement oscillant auto-entretenu, mélange dynamique plus efficace. 24