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Simulations numériques d'écoulements à travers des réseaux fixes de sphères monodisperses et bidisperses, pour des nombres de Reynolds modérés

Massol, Alexandre (2004) Simulations numériques d'écoulements à travers des réseaux fixes de sphères monodisperses et bidisperses, pour des nombres de Reynolds modérés.

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Abstract

L'utilisation des modèles moyennés à deux fluides pour la simulation d'écoulements diphasiques industriels complexes nécessite le développement de modèles adéquats pour la force de traînée exercée sur les inclusions et le transfert thermique interfacial. Cette tâche devient problématique pour des fractions volumiques élevées de la phase dispersée. La qualité de la simulation dépend fortement des termes de transfert interfacial, en commençant par la force de traînée stationnaire. Par exemple, une modélisation précise de la force de traînée est un point crucial pour simuler l'expansion d'un lit fluidiste dense. La majorité des modèles utilisés pour étudier les termes d'échange entre les particules et le fluide sont basés sur l'interaction entre une particule isolée et le gaz environnant. Ces modèles sont clairement inadaptés aux cas pour lesquels la fraction volumique de particules augmente et les interactions particules-particules deviennent importantes. L'étude de tels cas est complexe du fait des multiples configurations possibles. Alors que l'interaction entre une sphère isolée et un gaz dépend uniquement de la taille de la particule et de la vitesse de glissement entre le gaz et la particule, l'interaction entre un nuage de particules et un gaz dépend de beaucoup plus de paramètres : les distributions de taille et de vitesse des particules, les positions relatives des particules. Même si les positions relatives des particules restent fixes, il existe un nombre infini de combinaisons pour construire un tel réseau.

ABSTRACT :

The application of statistically averaged two-fluid models for the simulation of complex industrial two-phase flows requires the development of adequate models for the drag force exerted on the inclusions and the interfacial heat exchange. This task becomes problematic at high volume fractions of the dispersed phase. The quality of the simulation strongly depends upon the interfacial exchange terms, starting with the steady drag force. For example, an accurate modelling of the drag force is therefore a crucial point to simulate the expansion of dense fluidized beds. Most models used to study the exchange terms between particles and fluids are based on the interaction between an isolated particle and a surrounding gas. Those models are clearly not adequate in cases where the volume fraction of particles increases and particle-particle interactions become important. Studying such cases is a complex task because of the multiple possible configurations. While the interaction between an isolated sphere and a gas depends only on the particle size and the slip velocity between gas and particles, the interaction between a cloud of particles and a gas depends on many more parameters : size and velocity distribution of particles, relative position of particles. Even if the particles keep relative fixed positions, there is an infinite number of combinations to construct such an array. The objective of the present work is to perform steady and unsteady simulations of the flow in regular arrays of fixed particles in order to analyze the influence of the size and distributions of spheres on drag force and heat transfer (the array of spheres can be either monodispersed, either bidispersed). Several authors have studied the drag exerted on the spheres, but only for low Reynolds numbers and/or solid volume fractions close to the packed limit. Moreover some discrepancies are observed between the different studies. On top of that, all existing studies are limited to steady flows, and do not deal with heat transfer and polydispersion. First of all, the steady viscous drag exerted on the spheres of face-centered cubic, simple cubic and tetragonal arrays is evaluated. This allows to analyze the influence of the spheres distribution and solid volume fraction on drag coefficient. Next, the influence of Reynolds number and solid volume fraction on heat transfer from spheres to the surrounding fluid in face-centered cubic arrays is studied. Finally, the history effects on the total force exerted on the inclusions and on the heat transfer between the inclusions and the surrounding fluid are studied.

Department or laboratory:Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse - IMFT (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Simonin, Olivier
Uncontrolled Keywords:Simulation numérique directe (DNS) - Ecoulements diphasiques - Ecoulements gaz-particules - Monodisperse - Bidisperse - Force de traînée - Force de Basset - Transfert thermique - Auto-correlations fluides. KEYWORDS : Direct numerical simulation (DNS) - Two-phase flows - Gas-particles flows - Monodisperse - Bidisperse - Drag force - Basset force - Heat transfer - Fluid auto-correlations
Subjects:Hydraulics > Energetics and transfers
Hydraulics > Energetics mechanics
Deposited On:01 October 2004

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