Modélisation multi-échelle du phénomène de condensation en paroi en présence de gaz incondensables avec approche CFD. - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Multi-scale modelling of wall condensation in presence of noncondensable gases with a CFD approach.

Modélisation multi-échelle du phénomène de condensation en paroi en présence de gaz incondensables avec approche CFD.

Arthur Iziquel
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1354643
  • IdRef : 275887839

Résumé

This thesis deals with the CFD modeling of the turbulent wall condensation phenomenon for a steam and noncondensable gases mixture. We are interested in the film condensation regime. In the presence of noncondensable gases such as air or hydrogen, the heat exchange related to the steam condensation phenomenon decreases strongly due to the formation of a diffusion boundary layer. In the gas phase, forced, natural or mixed convection regimes may be involved, since temperature and species mass fraction gradients may lead to significant variations of the density gas mixture in the boundary layer.In CFD, wall condensation can be simulated at different scales. At the finest scale, low-Reynolds models use a very fine mesh in the wall (y+ < 1), so that the momentum, heat and mass transfer at the wall can be evaluated by finite difference. Turbulence can be modeled using DNS, LES or RANS approaches. Several low-Reynolds RANS models have already been proposed to simulate wall condensation. These models have the advantage of being quite accurate thanks to their higher spatial resolution, but they have a relatively high computational cost. The high-Reynolds RANS models are applied with relatively coarser meshes within the turbulent sublayer (20 < y+ < 200), and the estimation of the wall momentum, heat and mass transfer is provided by either wall functions or correlations. A high-Reynolds wall function is an approximation of the velocity, temperature and/or mass fraction profiles in the boundary layer. The so-called standard wall functions that are widely used are valid in the forced convection regime. In industry, high-Reynolds RANS models are commonly used because of their low computational cost.The work of this thesis consists in developing two wall functions models for condensation valid for any convection regime. Thus, the first model proposed takes into account the effect of the gravity force, and the second model takes into account in addition the suction effect as well as the inter-diffusion heat flux. The proposed wall function models have been validated by comparison with a low-Reynolds RANS model, a high-Reynolds RANS model based on mass and heat transfer correlations and also on experimental results of condensation tests.
Cette thèse porte sur la modélisation en CFD du phénomène de condensation en paroi d'un mélange de vapeur et de gaz non-condensables en régime turbulent. Nous nous intéressons au régime de condensation en film. En présence de gaz non-condensables tels que l'air ou l'hydrogène, l'échange thermique lié au phénomène de condensation de la vapeur diminue fortement suite à la formation d'une couche limite de diffusion. Dans la phase gazeuse, les régimes de convection forcée, naturelle ou mixte peuvent intervenir, puisque les gradients de température et de fraction massique des espèces peuvent entraîner des variations considérables de la masse volumique du mélange dans la couche limite.En CFD, la condensation en paroi peut être simulée à des échelles plus ou moins fines. A l'échelle la plus fine, les modèles bas-Reynolds consistent à utiliser un maillage très fin en paroi (y+ < 1), pour que les échanges pariétaux puissent être évalués par différence finie. La turbulence peut être modélisée par les approches DNS, LES ou encore avec l'approche RANS. Plusieurs modèles RANS bas-Reynolds ont déjà été proposés pour simuler la condensation en paroi. Ces modèles ont l'avantage d'être assez précis grâce à leur bonne résolution spatiale, mais ils ont en contrepartie un coût de calcul relativement important. A une échelle moins fine, les modèles RANS haut-Reynolds consistent à mailler au niveau des parois à l'intérieur de la sous-couche turbulente (20 < y+ < 200), et à estimer les échanges pariétaux à l'aide soit de fonctions de paroi, soit de corrélations. Une fonction de paroi haut-Reynolds est une modélisation du profil de la vitesse, de la température et/ou de la fraction massique dans la couche limite. Les fonctions de paroi dites standard qui sont couramment utilisées sont valables en régime de convection forcée. Dans l'industrie, les modèles RANS haut-Reynolds sont beaucoup utilisés en raison de leur faible coût de calcul.Le travail de thèse consiste au développement de deux modèles de fonctions de paroi pour la condensation valables pour tout régime de convection. Le premier modèle proposé tient compte de l'effet de la force de gravité, et le second modèle tient compte en supplément de l'effet d'aspiration ainsi que du flux thermique d'inter-diffusion. Les modèles de fonctions de paroi proposés ont été validés par comparaison avec un modèle RANS bas-Reynolds, un modèle RANS haut-Reynolds basé sur des corrélations de transfert de masse et d'énergie et des résultats expérimentaux d'essais de condensation.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04467675 , version 1 (20-02-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04467675 , version 1

Citer

Arthur Iziquel. Modélisation multi-échelle du phénomène de condensation en paroi en présence de gaz incondensables avec approche CFD.. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Institut Polytechnique de Paris, 2023. Français. ⟨NNT : 2023IPPAX056⟩. ⟨tel-04467675⟩
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