Ecoulements turbulents fortement anisothermes et/ou diphasiques au sein des procédés solaires
Résumé
Dans le cadre de la mise au point et de l’optimisation des procédés solaires, l’approche
multi-échelles développée permet d’aller depuis des études extrêmement fines des écoulements
et transferts, jusqu’à la conception des récepteurs solaires à haute température. Cette approche
part de l’application visée et la simplifie pour se concentrer sur les mécanismes physiques
caractéristiques. Les études locales très fines des mécanismes caractéristiques ont alors pour
objectif de renseigner des outils de dimensionnement. Les mécanismes caractéristiques sur
lesquels se concentrent ces travaux sont les interactions entre turbulence et interface ainsi que
le couplage entre la dynamique et la thermique. Des niveaux d’études intermédiaires dont la
taille grandit et dont la géométrie se complexifie lorsque l’on se rapproche de l’application
finale sont identifiés et définis. A chacune de ces études intermédiaires, on associe un niveau
de description physique, une stratégie numérique et des moyens de diagnostics expérimentaux
adaptés.
Les configurations académiques (canal plan par exemple) sont étudiées par simulations
numériques directes (SND). Les SND réalisées ont permis de caractériser l’effet du gradient
de température sur un écoulement turbulent ainsi que les interactions entre interface et tur-
bulence. En particulier, une généralisation du modèle de Kolmogorov au cas des écoulements
fortement anisothermes est proposée et un équivalent de la simulation des grandes échelles
pour les écoulements diphasiques est développé.
Les travaux sur des écoulements complexes sont réalisés par simulations des grandes
échelles (SGE) et expérimentalement par vélocimétrie stéréoscopique par images de particules
(S-PIV). Dans certains cas, ces études tiennent compte de la conduction dans la paroi. La
configuration du té de mélange à section rectangulaire ou circulaire a notamment été étudiée
afin d’évaluer les risques de faïençage thermique. Des SGE ont montré le fort potentiel de la
combinaison de générateur de tourbillons et de riblets pour l’intensification des transferts de
chaleur. Dans cette même configuration, les statistiques de la turbulence ont été déterminées
expérimentalement par S-PIV. La comparaison entre résultats numériques et expérimentaux
confirme le potentiel des SGE pour l’étude des écoulements complexes. Concernant les écoule-
ments diphasiques, les SGE réalisées ont permis de renseigner des modèles de type RANS. En
particulier, nous avons proposé une corrélation pour le coefficient de la force de portance et
une fermeture pour le terme de transfert interfacial de l’énergie cinétique turbulente.
Les écoulements réels sont caractérisés par des simulations de type RANS et par des
expériences sous flux solaire concentré dans le volume focal du concentrateur de 1MWth sur
le site d’Odeillo du laboratoire. Les simulations de type RANS ont servi à l’optimisation de
la géométrie innovante combinant VG et riblets. Les tests sous flux solaire de la géométrie
optimisée confirment son très bon rendement énergétique. A partir de ces résultats numériques
et expérimentaux, nous proposons des corrélations pour le transfert de chaleur fluide/solide.
En utilisant ces corrélations, un code de dimensionnement pour les récepteurs solaires est alors
développé.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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