Incorporation of species interdiffusion in boundary layer modelling of filmwise condensation with non-condensable gases - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Incorporation of species interdiffusion in boundary layer modelling of filmwise condensation with non-condensable gases

Incorporation de l'interdiffusion des espèces dans la modélisation de la couche limite de condensation en film avec des gaz incondensables

Résumé

Steam condensation in the presence of non-condensable gases involves species interdiffusion. Yet this effect is generally neglected in the literature without a clear justification. We first examine the effect of species interdiffusion in the laminar regime. We consider a binary mixture of a condensable and a non-condensable gas in a differentially heated square cavity. The phenomena described by the numerical simulation are natural convection and condensation, which we model with a Stefan velocity. Examination of various cases shows that species interdiffusion can contribute significantly to the heat transfer when the mass flux is large and when the difference in the heat capacity of the two species is not small. In addition, we examine the influence of Dufour and Soret effects and find that both can be neglected for an air-steam mixture. We then consider the turbulent regime. As a first step, we determine the prediction abilities of low Reynolds models such as the Chien and Launder-Sharma formulations by comparing them with experimental results. We show that the models are able to reproduce successfully the modification of the velocity profile due to wall suction and to estimate correctly the temperature profile. The mass fraction is not as well recovered, but there are reasons to believe that this could be at least partly due to a bias in experimental measurements. As a second step, we build generalized wall functions to capture the different phenomena characterized by spatially-varying physical properties. Our method is grounded on a wall equilibrium model that leads to a system of ordinary differential equations. It relies on the mixing length assumption with the incorporation of a Van Driest damping factor. Results obtained with the method are confronted with low Reynolds model calculations and experimental measurements for three types of boundary layers: a purely kinetic boundary layer with suction/blowing, a boundary layer with suction and heat transfer, and a boundary layer with coupled heat and mass transfer. We determine how the damping factor depends on the wall suction. Finally, we establish that including the effect of interdiffusion is essential to obtain a good agreement of the wall function with experimental results.
Le phénomène de condensation de la vapeur en présence de gaz incondensables met en jeu l'interdiffusion des espèces. Or cet effet est généralement négligé dans la littérature sans justification claire. L'effet de l'interdiffusion est d'abord examiné dans le régime laminaire en considérant le mélange binaire d'un gaz condensable et d'un incondensable dans une cavité carrée différentiellement chauffée. Les phénomènes considérés sont la convection naturelle et la condensation, qui est modélisée avec une vitesse de Stefan. Les calculs de différents cas ont montré que la contribution de l'interdiffusion au transfert de chaleur était significative lorsque la différence de capacité thermique entre les deux espèces n'est pas négligeable et que le flux de masse est important. L'influence des effets Soret et Dufour a également été examinée dans cette étude. Il a été établi que ces effets peuvent être négligés pour un mélange d'air et de vapeur. Nous avons ensuite considéré le régime turbulent. Nous nous sommes dans un premier temps intéressés aux capacités des modèles bas Reynolds (Chien, Launder-Sharma). Nous avons montré que ces modèles sont capables de prédire correctement l'effet d'aspiration dans une couche limite turbulente, d'estimer de manière acceptable le profil de température, et de manière moins cohérente le profil de la fraction de masse. Nous avons dans un deuxième temps cherché à capturer les couplages ainsi que les variations des propriétés physiques en construisant des fonctions de paroi généralisées. La méthode que nous proposons s'appuie sur la résolution d'un système d'équations aux dérivées ordinaires et fait intervenir le modèle de longueur de mélange avec le facteur d'amortissement de van Driest. Les profils et flux prédits par la méthode ont été comparés avec les modèles bas Reynolds ainsi que des résultats expérimentaux pour trois types de cas: une couche limite avec aspiration (ou soufflage), une couche limite avec aspiration et transfert thermique, et enfin une couche limite avec transfert de masse et de chaleur couplé. Nous avons montré que le paramètre d'amortissement dépend de la vitesse d'aspiration. Enfin, nous avons établi que la prise en compte de l'interdiffusion conduit à une amélioration substantielle de l'accord du modèle de paroi avec les résultats expérimentaux.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03698737 , version 1 (19-06-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03698737 , version 1

Citer

Nan Jiang. Incorporation of species interdiffusion in boundary layer modelling of filmwise condensation with non-condensable gases. Fluid mechanics [physics.class-ph]. Université Paris-Saclay, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPAST063⟩. ⟨tel-03698737⟩
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