Post-Doctorat Turbulence et Mélange

Le 10/01/2018

Émilien Varea  •  ico

Luminita Danaila  •  ico

Date : 1er février
Durée : 18 mois

Contact : voir ci-contre.

Contexte économique

La gestion énergétique durable des dispositifs industriels de nouvelle génération passe par l’utilisation de matériaux innovants pour assurer une régulation thermique économique et fiable. Les Matériaux à Changement de Phase (MCP) offrent la possibilité d’emmagasiner et de restituer une forte quantité de chaleur au moment de leur changement de phase : au-dessus d’une certaine température caractéristique ils se liquéfient en absorbant la chaleur extérieure et la restituent lorsque la température baisse. Les applications industrielles des MCP couvrent un large nombre de domaines d’activité, de l’électronique jusqu’au bâtiment.

Etat de l’art

Le changement de phase dans les systèmes physiques d’intérêt pratique (comme la fusion de l’acier ou la réfrigération des aliments) est généralement étudié en utilisant le modèle de Stefan, qui prend en compte un seul phénomène physique : la conduction thermique. Dans les matériaux à changement de phase, la convection dans la phase liquide joue un rôle crucial, ce qui nécessite une description théorique complexe, basée sur les équations de Navier-Stokes-Boussinesq. De nouveaux modèles ont été proposés récemment (voir l’ouvrage A. Faghri, Y. Zhang, Transport Phenomena in Multiphase Systems, Elsevier, 2006) et commencent à être étudiés théoriquement et numériquement. Les études mathématiques utilisant des modèles simplifiés (Cabrales et al., Analysis and optimal control of some solidification processes, Discrete and continuous dynamical systems. 2014) et les simulations numériques utilisant des méthodes de volumes finis (Wang et al., A comprehensive numerical model for melting with natural convection, Int. J. Heat Mass Transf., 2010) sont très récentes.

Motivation et sujet de l’étude

Les dispositifs industriels à base de MCP présentent un niveau de maturité faible et plusieurs questions pratiques sont de grande actualité : comment les MCP réagissent à un environnement confiné, quelle est la durée de vie, l’efficacité thermique de ces dispositifs ? Notre étude a comme objectif d’apporter des éléments de réponse à ces questions par la modélisation physique et par la simulation numérique. Elle sera organisée pour permettre l’application des connaissances acquises aux dispositifs industriels développés par nos collaborateurs.

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Principales actions

Deux grandes actions sont prévues :

  1. Modélisation physique de la dynamique temporelle du système diphasique. Les quantités modélisées seront, à chaque instant de temps : vitesse et taille des rouleaux de convection (l’écoulement n’est pas turbulent), température, épaisseur et position de la zone de mélange.
  1. Réalisation expérimentale d’un système de MCP. La géométrie de la cellule devra permettre un écoulement 2D, ou quasi 2D, afin de faciliter la comparaison et la validation des résultats issus des simulations numériques. Le fluide considéré sera de la paraffine. La cellule de convection sera transparente pour permettre de visualiser l’avancement du front de solidification. Le haut et le bas de la cellule seront isolés thermiquement. Initialement, le fluide se trouvera à une température supérieure à la température de fusion (facteur 2). Un refroidissement -à une température inférieure à la température de fusion- sera appliqué d’un côté, soit à température constante, soit à flux constant. Cela conduira à la naissance du front solide qu’il s’agira de suivre au cours du temps. Différentes techniques de visualisation seront utilisées. En ce qui concerne la vitesse, la technique optique laser type PIV/PTV sera mise en place. Pour la partie thermométrie, on utilisera soit de la thermométrie sur phosphore qui offre une résolution excellente (proche de 0.1°C) liée à une technique ex-situ i.e. non intrusive. Des phosphores de type BAM BaMg2Al10O17:Eu semblent convenir pour les plages de températures considérées.

Références bibliographiques.

  1. A. Faghri, Y. Zhang, Transport Phenomena in Multiphase Systems, Elsevier, 2006
  2. R.Voller,M.Cross,N.C.Markatos,Anenthalpymethodforconvection/diffusionphasechange, Int. J. for Num. Meth. in Eng., 24 (1987) 271-284.
  3. M. Okada, Analysis of heat transfer during melting from a vertical wall, Int. J. of Heat and Mass Transf., 27 (1984) 1986-2000.
  4. S. Wang, A. Faghri, T. L. Bergman, A comprehensive numerical model for melting with natural convection, Int. J. of Heat and Mass Transf., 53 (2010) 2057-2066.
  5. I. Danaila, R. Moglan, F. Hecht, S. Le Masson, A Newton method with adaptive finite elements for solving phase-change problems with natural convection, J. Comp. Physics, 274 (2014) 826-840.
  6. R. Nourgaliev, H. Luo, B. Weston, A. Anderson, S. Schofield, T. Dunn, J.-P. Delplanque, Fullyimplicit orthogonal reconstructed Discontinuous Galerkin method for fluid dynamics with phase change, J. Comp. Physics, 305 (2016) 964-996.
  7. K. Luo, F. J. Yao, H. Yi, H. Tan, Lattice Boltzmann simulation of convection melting in complex heat storage systems filled with phase change materials, Applied Thermal Engineering, 86 (2015) 238-250.
  8. L. Danaila, L. Voivenel, E. Varea, ”Self-similarity criteria in anisotropic flows with viscosity stratification,” Physics of Fluids, Vol.29, Issue 2, 020705, DOI : 10.1063/1.4974520.
  9. Voivenel L., Varea E., Danaila L., Renou B. and Cazalens M., 2016, ’Self-similarity of variableviscosity flows’, Physica Scripta, 91 084007 (12pp).
  10. Taguelmimt N., Danaila L. and Hadjadj A., 2016, ’Effects of viscosity gradients on mean velocity profile in temporal mixing layer’, Journal of Turbulence, DOI http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/14685248.2015.1131900.
  11. Voivenel L., Varea E., Danaila L., Renou B. and Cazalens M., 2016, ’Variable-viscosity jets : entrainment and mixing process’, ’Whither Turbulence and big data’, Springer.
  12. Taguelmimt N., Danaila L. and Hadjadj A., 2015, ’Effects of viscosity variations in temporal mixing layer’, Flow, Turbulence and Combustion, DOI 10.1007/s10494-015-9649-6.
  13. Krawczynski, J.F., Bouha A., Renou B. and Danaila L., 2015, ’Conserved scalar mixing in a confined opposed-jets flow’, Journal of Turbulence, Vol. 16 (12), pp. 1139-1160.
  14. Talbot B., Danaila L. and Renou, B. 2013, ’Variable-viscosity mixing in the very near field of a round jet’, Physica Scripta, T155, p. 014006.
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