Academic literature on the topic 'Couplages solide-gaz'

Ce présent travail a pour objectif la visualiser du champ thermique dans les composants solides et poreux d’une pile à oxyde solide planaire à anode supportée (SOFC_P à AS). L’intérêt est porté à la localisation des hautes températures. Les paramètres étudiés sont: les valeurs de température des gaz, hydrogène et air, alimentant la pile et la source totale de chaleur. Ces dernières sont dues aux surtensions électriques; ohmiques, activation et concentration et au phénomène exothermique lors de la formation de l’eau. Cette étude nécessite un couplage des phénomènes de transport de masse, d’énergie en plus de la loi d’écoulement gouvernée par la loi de Darcy, ainsi que la tension de la pile. Un modèle mathématique bidimensionnel est présenté. La méthode adoptée pour résoudre numériquement un tel problème est celle des différences finies. Le champ de température dans toute la pile (les deux interconnexions, la cathode, l’anode et l’électrolyte) a été obtenu en développant un programme informatique (Fortran).

L'objectif de ce travail est de contribuer à la modélisation numérique des écoulements turbulents gaz-particules en conduite horizontale ou verticale non isotherme, présents dans de nombreux procédés industriels (transport pneumatique, séchage, combustion,...). Le modèle repose sur une approche eulérienne-lagrangienne permettant une description fine des mécanismes d'interactions entre les deux phases (action du fluide sur les particules (dispersion), action des particules sur le fluide (couplage « two-way ») interactions inter-particulaires (collisions)), plus ou moins influents selon les caractéristiques de l'écoulement. L'influence de la turbulence de l'écoulement gazeux sur le mouvement d'une particule est simulée par un modèle de dispersion anisotrope permettant de générer les fluctuations de vitesses et de température du fluide vu par une particule. Les développements numériques apportés au modèle en conduite ont été validés par comparaison avec les résultats expérimentaux disponibles dans la littérature. Les différents tests de sensibilité ont permis de mettre en évidence l'influence du modèle de dispersion, des collisions et de la modulation de la turbulence (actions directes et indirectes des particules sur le fluide) sur le comportement dynamique et thermique de la suspension. Le modèle est capable de prédire les échanges thermiques en présence de particules pour une large gamme d'écoulements à la fois en conduite verticale et en conduite horizontale. Cependant, des difficultés d'ordre numérique subsistent pour les simulations en couplage « two-way » en présence de très petites particules pour des taux de chargement supérieurs à 1. Ceci est lié aux problèmes de modélisation des termes de couplage entre les deux phases (en particulier les coefficients de modélisation de l'équation de transport de la dissipation, Ce2 et Ce3 ).

Dans le cadre de l'inspection ultrasonore des réacteurs au sodium, l’objectif est d’étudier les conditions d’apparition d’un très mauvais couplage acoustique du traducteur avec le sodium liquide. Le non mouillage de la surface du traducteur par le sodium peut provoquer le piégeage de poches de gaz dans la rugosité. Une première analyse quasi-statique permet d'étudier la stabilité de ces poches de gaz vis-à-vis de la température, de la pression hydrostatique, du niveau de saturation en gaz dissous dans le liquide. Afin de mener une étude paramétrique en fonction de la taille et la fraction surfacique des poches de gaz, plusieurs échantillons sont réalisés. Une expérience ultrasonore en eau, utilisant différentes fréquences, permet de mesurer la transmission à travers ces échantillons. Parallèlement, divers modèles décrivant la configuration expérimentale sont proposés, le dernier étant basé sur une description du comportement dynamique d’une poche de gaz de géométrie simple. La comparaison des résultats expérimentaux et analytiques (du dernier modèle) montrent une évolution similaire de la transmission en fonction des différents paramètres
Under the ultrasonic inspection of the fourth generation of sodium cooled reactors, the goal is to study the conditions for the appearance of a very bad acoustic coupling of the transducer with liquid sodium. Under certain conditions, the non wetting of the surface of the transducer by sodium causes trapping gas pockets in the roughness. A first quasi-static analysis based on the crevice model allows to study the dependence of the stability of these gas pockets on the temperature, the hydrostatic pressure, and the level of dissolved gas saturation of the liquid. In order to develop a parametric study based on the size and gas surface fraction, several samples are made. An ultrasonic experiment using various frequencies can measure the transmission through these samples. Meanwhile, three different models describing the experimental setup are proposed, the latter being based on a description of the dynamic behaviour of a simple gas pocket geometry. The comparison of experimental and analytical results (of the last model) show a similar pattern of the dependence of the transmission on the various parameters

Cette étude présente une analyse du comportement au feu de différentes espèces végétales. Elle a pour but de définir le rôle des propriétés des végétaux sur leur combustion et de proposer un modèle d'oxydation en phase gazeuse suffisamment simple pour servir de point de départ à un modèle de propagation. Les espèces végétales sont broyées pour limiter l'influence du rapport surface-volume sur leur comportement au feu. La combustion de ces broyats engendre des flammes laminaires. L'étude expérimentale comprend la caractérisation des propriétés thermophysiques et physico-chimiques des combustibles, l'analyse des gaz de dégradation et la détermination du comportement des phases solide et gazeuse et de leur couplage. Dans l'étude numérique, différents mécanismes squelettiques et globaux sont testés afin de définir un modèle simple d'oxydation des gaz de dégradation. Ce modèle est appliqué aux flammes de combustibles végétaux.

Cette étude constitue une contribution au développement d'outils de simulation d'écoulements gaz-solide en situation anisotherme, présents dans de nombreuses applications industrielles (séchage, combustion, ). La modélisation repose sur une approche euler-lagrange et s'appuie sur une représentation fine des mécanismes qui affectent le comportement de la suspension (modèle k-epsilon anisotrope, à bas Reynolds et modèle WET, suivi lagrangien avec collisions et dispersion, couplage entre les phases). L'influence des différents phénomènes et de leur modélisation sur le comportement de chaque phase est évaluée par plusieurs études paramétriques et par confrontation avec des résultats issus de la littérature. Le code de calcul s'est avéré capable de prédire la modulation des échanges thermiques en présence de particules pour une gamme relativement large d'écoulements, même si plusieurs problèmes se posent encore pour les particules les plus petites et pour les plus forts taux de chargement
The present study aimed at contributing to the development of simulation tools for turbulent gas-solid non-isothermal flows, which are present in numerous industrial applications (drying processes, combustion, ). The modelling is implemented in the frame of an Eulerian-Lagrangian approach and leans on a fine representation of the mechanisms able to affect the suspension behaviour (anisotropic low-Reynolds k-epsilon closure model and WET closure model, stochastic particle tracking with collisions and dispersion, coupling between the phases). The influence of the various phenomena and their modelling on the behaviour of each phase is estimated by several parametric studies and by comparisons with results from the literature. The calculation code turned out to be able to predict the heat exchange modulation in the presence of particles for a relatively wide range of flows, even if several problems still arise for the smallest particle sizes and for the strongest mass loading ratios

L'ambition du projet Européen « FELICITAS » est le développement de générateurs piles à combustible performants pour les applications transport de type ferroviaire, routier lourd et maritime. Les travaux présentés concernent plus particulièrement l'évaluation d'une hybridation de sources originale où sont couplées en série une pile haute température de type oxyde solide (SOFC) alimentée en diesel et une pile basse température de type électrolyte polymère (PEFC). La SOFC participe ainsi à la fourniture de puissance électrique et contribue également au procédé de purification du combustible destiné à la PEFC en oxydant une fraction du monoxyde de carbone.

Une approche de modélisation macroscopique a été développée. La complexité d'une pile à combustible réside notamment dans la prise en compte de son caractère multiphysique : elle est le siège des phénomènes électrochimique, fluidiques et thermiques. Cette difficulté a été surmontée en utilisant une analogie avec un circuit électrique équivalent pour unifier ses trois aspects, implanter et coupler ces sous-modèles dans un logiciel unique sous Matlab/Simulink™.

Un modèle de pile SOFC est proposé, appliquant le principe d'analogie électrique pour les circuits anodiques et cathodiques ainsi qu'une méthode nodale pour le comportement thermique. Le combustible considéré est un mélange d'hydrogène, d'azote, de monoxyde de carbone, de dioxyde de carbone et de vapeur d'eau, dont la composition est proche de celle obtenue à la sortie d'un reformeur. Un banc d'essai spécifique a été conçu et réalisé pour le test de petits empilements afin de valider le modèle. Deux types de conception de stack ont été étudiés : une technologie à combustion libre du gaz anodique dans le fluide et une technologie à collecteur de gaz d'échappement anodique.

Un modèle de pile PEFC isotherme a également été développé sur le même principe. La validation expérimentale a été faite sur un banc disponible au laboratoire. Une bibliothèque des éléments fluidique d'un générateur à pile à combustible a été enrichie (électrovanne, régulateur de débit, détendeur...) notamment par un modèle simplifié de compresseur d'air.

Dans le cadre de l'inspection ultrasonore des réacteurs au sodium, l'objectif est d'étudier les conditions d'apparition d'un très mauvais couplage acoustique du traducteur avec le sodium liquide. Le non mouillage de la surface du traducteur par le sodium peut provoquer le piégeage de poches de gaz dans la rugosité. Une première analyse quasi-statique permet d'étudier la stabilité de ces poches de gaz vis-à-vis de la température, de la pression hydrostatique, du niveau de saturation en gaz dissous dans le liquide. Afin de mener une étude paramétrique en fonction de la taille et la fraction surfacique des poches de gaz, plusieurs échantillons sont réalisés. Une expérience ultrasonore en eau, utilisant différentes fréquences, permet de mesurer la transmission à travers ces échantillons. Parallèlement, divers modèles décrivant la configuration expérimentale sont proposés, le dernier étant basé sur une description du comportement dynamique d'une poche de gaz de géométrie simple. La comparaison des résultats expérimentaux et analytiques (du dernier modèle) montrent une évolution similaire de la transmission en fonction des différents paramètres.

Les dysfonctionnements observés dans les enceintes de conversion thermochimique tels que les zones mortes et les courts-Circuits conduisent en général à une mauvaise valorisation de la ressource énergétique et à une pollution atmosphérique. Ils trouvent leur origine dans les conditions aérauliques au sein de ces enceintes. Ils pourront alors être évités par une meilleure maîtrise de ces écoulements. Nous proposons dans ce travail d’une part, le développement d’un nouvel outil pour la détermination de la distribution des temps de séjour de la phase solide, basé sur la luminescence de particules préalablement enrobées de pigments phosphorescents. Cette méthode systémique, optique, non intrusive et souple d’emploi a été mise en place à l’échelle laboratoire sur un banc d’essais aéraulique. D’autre part, nous avons développé un modèle numérique permettant de déterminer la distribution des temps de séjour afin de maîtriser les écoulements à la sortie des enceintes en vue de les optimiser et les extrapoler à l’échelle industrielle. Cette approche analytique est basée sur une modélisation par couplage MFN de type volumes finis du comportement d’un fluide à l’aide du Code Saturne et DEM de type éléments discrets du comportement du solide à l’aide du code SIGRAME. Enfin une confrontation de la DTS du modèle numérique avec laDTS expérimentale a été réalisée
Dysfunctions observed in thermochemical conversion reactors like dead zones and short circuits generally lead to inaccurate pricing of energy resources and air pollution. They originate in the air flow conditions in these aeraulic reactor. They can then be avoided by a better control of these flows. We propose in this work to develop a new tool for determining the distribution of residence time of the solid phase, based on the luminescence of particles previously coated with phosphorescent pigments. This optical method, non-Intrusive and flexible, has been implemented at a laboratory scale, on an aeraulic test bench.On the other hand, we have developed a numerical model allowing to determine the distribution of the residence time to master the flows at the exit of surrounding walls to optimize them and extrapolate them at the industrial scale. This analytical approach is based on a modelling by coupling MFN by finite volume types via the Code Saturn and DEM by discrete elements of the solid behavior by means of the code SIGRAME. Finally a confrontation of the DTS of the digital model with the experimental DTS has been done

La pyrolyse du bois est un processus crucial dans la science de la sécurité incendie car elle affecte la décomposition thermique et le comportement de combustion des matériaux. Le bois est un composite biopolymères (cellulose, hémicellulose et lignine) qui subit une pyrolyse complexe, produisant du charbon solide, du goudron et des gaz. Le processus de pyrolyse modifie également certaines caractéristiques importantes de l’échantillon (densité, conductivité thermique, capacité thermique, porosité, perméabilité, émissivité...) qui évoluent tout au long de la réaction de décomposition. La compréhension de ces transformations est cruciale pour la modélisation du comportement du feu des solides. Les évolutions des masses normalisées finales entre les expériences ATG et en cône calorimètre remettent en cause les modèles de taux de réaction solides existants. Les modèles actuels supposent souvent un ordre de réaction égal à 1, ce qui conduit à des inexactitudes lorsque l’ordre de réaction diffère de 1. Pour surmonter ces lacunes, un nouveau modèle basé sur la conversion, appelé ”Masse Initiale Virtuelle”, est proposé. Ce modèle est basé sur des données issues d’essais ATG. Il calcule la vitesse de chaque réaction dans le cas de mécanismes de pyrolyse complexes, avec de nombreuses réactions séquentielles et compétitives et a été implémenté en C++. Le code C++ de ce modèle est intégré avec l’outil DAKOTA pour permettre l’optimisation multi-objectif par algorithme génétique (MOGA) des paramètres cinétiques sur plusieurs vitesses de chauffage. Ce modèle de « Masse Initiale Virtuelle » est intégré dans la boîte à outils d’analyse des matériaux poreux basée sur OpenFOAM (PATO), un outil Open Source créé par la NASA. D’autres modèles de transferts de masse, de chaleur et de conservation des espèces en plus des propriétés des matériaux sont créés dans ce nouveau cadre. Un modèle informatique pour les réactions secondaires (réactions en phase gazeuse qui produisent du charbon secondaire) est implémenté dans PATO. Les simulations des essais en cône calorimètre sont effectuées dans des modèles 1D et 2D axisymétriques pour explorer l’influence des propriétés anisotropes du bois, en particulier l’orientation de ses fibres. La comparaison des modèles avec et sans réactions secondaires démontre le rôle de ces dernières dans la distribution de la chaleur et la production de charbon secondaire. Ce résultat explique la différence de masse finale observée expérimentalement entre les tests en ATG et en cône calorimètre. La comparaison des résultats expérimentaux et numériques montre la pertinence de cette approche pour simuler le comportement complexe de la pyrolyse du bois en mettant en évidence l’importance des voies de réaction, des réactions secondaires, du transfert de chaleur, du transfert de masse et des phénomènes d’interaction intra-pore
Pyrolysis of wood is a crucial process in fire safety science because it affects the thermal decomposition and combustion behavior of materials. Wood, a composite of biopolymeric components (cellulose, hemicellulose and lignin) undergoes complex pyrolysis to yield solid char, tar and gases as it thermally decomposes. The pyrolysis process also changes some important characteristics of the sample (density, thermal conductivity, heat capacity, porosity, permeability, emissivity...) that evolve throughout the reaction. Understanding these transformations is crucial for the correct modeling of fire behavior and material response under different thermal conditions. Different final normalized mass between TGA and cone calorimeter experiments challenge existing solid reaction rate models, according to experimental studies. Current models often assume a reaction order of 1, which oversimplifies the complexity of wood pyrolysis and leads to inaccuracies when the reaction order differs from 1. To overcome these shortcomings, a brand new conversion-based model, called ”Virtual Initial Mass”, is proposed. This model, based on TGA data, calculates the reaction rate for each reaction in complicated pyrolysis mechanisms. It supports mechanisms with numerous sequential and competitive reactions and has been implemented in C++. The C++ code for this model is integrated with the DAKOTA toolkit to perform multi objective genetic algorithm (MOGA) optimization of kinetic parameters for multiple heating rates. This ”Virtual Initial Mass” model is integrated in the Porous material Analysis Toolbox based on OpenFOAM (PATO) an Open Source tool distributed by NASA. Further mass transfer, heat transfer, species conservation models in addition to material properties are created within this new framework. A computational model for secondary reactions (gas-phase reactions that produce secondary char) is implemented in PATO. These secondary reactions solidify the sample and distribute heat back into the system. Simulations of cone calorimeter tests are performed in 1D and 2D axisymmetric models to explore the influence of anisotropic wood properties, particularly the orientation of wood fibers. Comparison of models with and without secondary reactions demonstrates their role in heat distribution and secondary char production and points out the experimentally observed difference in normalized mass between TGA and cone calorimeter tests. The model is verified by comparison with experimental results to show that it can simulate the complicated behavior of wood pyrolysis as well as emphasizes the importance of reaction pathways, secondary reactions, heat transfer, mass transfer and intra-pore interaction phenomena

Afin d'augmenter le rendement et la puissance spécifique des turbines à gaz, la température en entrée de la turbine haute pression a été continuellement augmentée, au point d'atteindre une valeur de l'ordre de la température de fusion des matériaux. La capacité à prédire l'écoulement (température en particulier) dans la turbine est donc un élément essentiel pour la conception des turbines à gaz, particulièrement pour celle qui ne sont pas refroidies. Toutefois, cette tâche est rendue difficile par l'extrême complexité de l'environnement dans lequel la turbine évolue (interaction avec la chambre de combustion, effets technologiques, couplage thermique fluide / solide, etc.).L'objectif de ce travail de thèse est de proposer, d'une part une stratégie de simulation numérique afin de prédire au mieux les champs aérothermiques dans une turbine haute-pression, d'autre part une méthode d'analyse permettant de quantifier l'impact des différents éléments de l'environnement sur les performances. Pour répondre à ces objectifs, des simulations instationnaires d'un étage de turbine ont été réalisées avec le code elsA, prenant en compte les effets technologiques (baignoire, refroidissement externe grâce aux évents du distributeur et aux cavités moyeu et carter du rotor qui sont alimentés par le système d'air secondaire, congés de raccordement) et les transferts thermiques conjugués. Une analyse de la production locale d'entropie a aussi été menée afin de comparer les performances aérodynamiques pour plusieurs niveaux d'approximations dans la définition de la turbine (prise en compte ou non de tel ou tel effet technologique) et de localiser l'origine de ces différences. L'analyse des résultats a montré que la hauteur de jeu et le système de refroidissement externe ont l'impact le plus significatif sur les performances aérodynamiques de la turbine. La température de paroi de la pale de rotor est de son côté fortement influencée par l'écoulement issu de la chambre de combustion, le refroidissement externe et le couplage thermique fluide / solide. Ce travail est un premier pas vers la réalisation de simulations totalement intégrées qui doivent permettre d'améliorer la précision des conceptions.

The present research is an experimental and numerical study of aeroacoustic phenomena occurring in large solid rocket motors (SRM) as the Ariane 5 boosters. The emphasis is given to aeroacoustic instabilities that may lead to pressure and thrust oscillations which reduce the rocket motor performance and could damage the payload. The study is carried out within the framework of a CNES (Centre National d'Etudes Spatiales) research program.

Large SRM are composed of a submerged nozzle and segmented propellant grains separated by inhibitors. During propellant combustion, a cavity appears around the nozzle. Vortical flow structures may be formed from the inhibitor (Obstacle Vortex Shedding OVS) or from natural instability of the radial flow resulting from the propellant combustion (Surface Vortex Shedding SVS). Such hydrodynamic manifestations drive pressure oscillations in the confined flow established in the motor. When the vortex shedding frequency synchronizes acoustic modes of the motor chamber, resonance may occur and sound pressure can be amplified by vortex nozzle interaction.

Original analytical models, in particular based on vortex sound theory, point out the parameters controlling the flow-acoustic coupling and the effect of the nozzle design on sound production. They allow the appropriate definition of experimental tests.

The experiments are conducted on axisymmetric cold flow models respecting the Mach number similarity with the Ariane 5 SRM. The test section includes only one inhibitor and a submerged nozzle. The flow is either created by an axial air injection at the forward end or by a radial injection uniformly distributed along chamber porous walls. The internal Mach number can be varied continuously by means of a movable needle placed in the nozzle throat. Acoustic pressure measurements are taken by means of PCB piezoelectric transducers. A particle image velocimetry technique (PIV) is used to analyse the effect of the acoustic resonance on the mean flow field and vortex properties. An active control loop is exploited to obtain resonant and non resonant conditions for the same operating point.

Finally, numerical simulations are performed using a time dependent Navier Stokes solver. The analysis of the unsteady simulations provides pressure spectra, sequence of vorticity fields and average flow field. Comparison to experimental data is conducted.

The OVS and SVS instabilities are identified. The inhibitor parameters, the chamber Mach number and length, and the nozzle geometry are varied to analyse their effect on the flow acoustic coupling.

The conclusions state that flow acoustic coupling is mainly observed for nozzles including cavity. The nozzle geometry has an effect on the pressure oscillations through a coupling between the acoustic fluctuations induced by the cavity volume and the vortices travelling in front of the cavity entrance. When resonance occurs, the sound pressure level increases linearly with the chamber Mach number, the frequency and the cavity volume. In absence of cavity, the pressure fluctuations are damped.

Doctorat en sciences appliquées
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