Développement d’un modèle de changement de phase en milieu poreux pour la modélisation des échangeurs diphasiques

Yohanna Henrotel$^{1}$, Damien Serret$^{2}$, Olivier Le Metayer$^{3}$
$^{\star}$ : yohanna.henrotel@temisth.com
$^{1}$ Aix-Marseille Université, CNRS, IUSTI / TEMISTH
$^{2}$ TEMISTH
$^{3}$ Aix-Marseille Université, CNRS, IUSTI
Mots clés : échangeur de chaleur; milieux poreux; changement de phase
Résumé :

Dans un contexte général de réductions de la consommation énergétique et des coûts de production, les échangeurs de chaleur sont devenus un élément clé. Les simulations CFD basées sur l’utilisation des milieux poreux sont aujourd’hui la méthode la plus couramment rencontrée pour des applications industrielles afin de concevoir et dimensionner des échangeurs munis de structures d’intensification comme les ailettes. Cela permet d’avoir le meilleur compromis entre besoins en ressources numérique et précision des résultats. Dans le cas des écoulements diphasiques, cette approche est aujourd’hui peu répandue.

Cette étude repose sur l’utilisation d’un modèle eulérien diphasique de mélange résolu par le logiciel StarCCM+. La perte de charge du milieu poreux est modélisée par une loi puissance (type Darcy-Forchheimer) par phase. Le milieu poreux est considéré en déséquilibre thermique localement, se traduisant par l’ajout d’un terme source volumique fonction d’un coefficient d’échange. Ce coefficient intègre le transfert de chaleur et de masse. Il peut être variable dans l’espace traduisant ainsi la topologie de l’écoulement diphasique (écoulement à bulle, slug, annulaire…).

Ce travail présente la définition du modèle poreux ainsi que sa mise en application. Pour cela nous présenterons dans un premier temps une analyse de sensibilité du modèle. Différentes conditions limites (débit massique, qualité, flux de chaleur) seront appliquées afin d’estimer l’influence de chaque paramètre dans notre modèle poreux à deux températures.

Dans un second temps, nous extrairons les paramètres requis par le modèle depuis une série de simulations résolues localement (simulations locales d’un canal à ailettes représentatif avec changement de phase). Une méthode de prise de moyenne volumique permettra de déterminer le terme source de transfert de masse et donc par la suite le coefficient d’échange. L’influence d’autres paramètres comme la géométrie des ailettes ou l’orientation de la gravité sera également étudiée.

Ce nouveau modèle sera mis en application pour la simulation d’un évaporateur utilisé dans un cycle à vapeur, fonctionnant au R134a.

Work In Progress