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Effet des hétérogénéités de fraction volumique dans les écoulements à bulles

Du 1 décembre 2023 au 1 décembre 2026

 CEA Paris-Saclay

Contacts : alan.burlot@cea.fr, frisso@imft.fr

L'ébullition est un phénomène complexe impliquant à la fois une dynamique complexe et des effets thermiques forts. Une bonne compréhension des différents régimes d'écoulement (bulle, poche, annulaire) est nécessaire pour modéliser correctement ce phénomène dans le cadre d'étude de conception ou de sûreté industrielle. L'objectif de la thèse est d'identifier les conditions d'écoulement amenant un essaim homogène de bulles à se déstabiliser. Il convient de caractériser ce type de transition pour mieux comprendre des effets d'accumulation locale de bulles pouvant amener à de la coalescence, par exemple. Cette étude se fera via des simulations numériques directes et une méthode de capture d'interface Front-Tracking permettant le suivi lagrangien des bulles.

La compréhension des écoulements à plusieurs phases est un enjeu majeur dans un très grand nombre d’applications industrielles (mélange chimique, transport de particules, propulsion, etc.). Les moyens actuels de simulation numérique permettent d’envisager de nouvelles études pour comprendre plus finement les mécanismes à l’œuvre dans ce type d’écoulements. Ces simulations viennent enrichir un travail expérimental rendu parfois difficile du fait de la complexité des écoulements. La présence d’inclusions de différentes tailles et de différentes natures accroît également la difficulté du travail de modélisation par rapport aux écoulements monophasiques. La phase additionnelle peut être, par exemple, des bulles de vapeur de différentes tailles dans le cadre de l’ébullition. Ce problème fait partie, entre autres, des phénomènes étudiés dans notre laboratoire.

L’ébullition est un phénomène complexe et difficile à modéliser du fait du couplage entre les effets dynamiques de l’écoulement et les transferts thermiques liés au chauffage de l’installation. La prise en compte complète du changement de phase et de la dynamique fine de l’écoulement est encore aujourd’hui un défi pour la simulation numérique directe, même pour les moyens de calcul actuels. L’approche moyennée RANS est cependant de plus en plus accessible et réaliste, y compris sur des géométries complexes. Pour établir cette approche moyennée, des lois de fermetures doivent être construites afin de reproduire les différents phénomènes de l’écoulement (effet de masse ajoutée, traînée, turbulence, etc.). Pour établir ces modèles, il convient de les établir et de les confronter à des conditions d'écoulement variées.

Les travaux précédemment menés au laboratoire se sont concentrés sur la dynamique d'essaims de bulles homogènes. Cette configuration homogène se retrouve dans certaines conditions d'écoulement (nombre de Reynolds, déformation des bulles, taux de vide), mais elle peut se déstabiliser vers une configuration dite hétérogène. Cette dernière est caractérisée par la concentration préférentielle de bulles dans une zone de l'écoulement. Cette concentration aura, d'une part, un effet sur la dynamique de l'écoulement au travers de mouvement à large échelle entrainant un cisaillement. D'autre part, elle aura également une influence sur la thermique au travers d'une modification des transferts de chaleur du fait d'une modification du mélange dans l'écoulement. La présente thèse aura donc deux objectifs : étudier les mécanismes et conditions d'écoulement pouvant amener à cette déstabilisation, et étudier l'effet de l'hétérogénéité sur la dynamique de l'écoulement. Ces deux axes de recherche sont une étape nécessaire pour l'amélioration de la modélisation des écoulements à bulles. En fonction de l'avancée dans la thèse, plusieurs axes complémentaires sont envisageables : analyse du mélange d'un scalaire passif, couplage avec de la thermique ou amélioration de la modélisation RANS.

Nous emploierons le code de calcul open-source TrioCFD avec une discrétisation cartésienne et une méthode de suivi d'interface (Front-Tracking) permettant de simuler la dynamique de milliers de bulles. Un accès privilégié à des supercalculateurs permettra de mener à bien les simulations. Le travail de dépouillement pourra s'appuyer sur le code Fieldz développé par Rémi Zamansky de l'Institut de mécanique des fluides de Toulouse (IMFT). Le directeur de la thèse sera Frédéric Risso de l'Institut de mécanique des fluides de Toulouse. La thèse se déroulera au CEA à Saclay.