Modélisation des écoulements particulaires réactifs pour les procédés durables à faible impact énergétique – MORE4LESS
Modélisation des écoulements particulaires réactifs pour les procédés industriels durables à faible impact énergétique
De nombreux procédés industriels comme la combustion du charbon, le craquage catalytique, les réacteurs de polymérisation, la gazéification de biomasse et la combustion en boucle chimique impliquent des écoulements réactifs dans lesquels la phase continue est le fluide et la phase dispersée est constituée de particules solides. L’optimisation de ces procédés représente un défi scientifique et industriel majeur dans le contexte de la flambée des couts de l’énergie et du développement soutenable.
Il est essentiel de mieux comprendre les phénomènes multi-physiques et multi-échelles dans les écoulements particulaires réactifs rencontrés dans les installations industrielles.
Un grand nombre de procédés industriels nécessite la mise en œuvre d’ écoulements réactifs dans lesquels une phase continue (gazeuse ou liquide) interagit avec une phase solide dispersée: les procédés catalytiques en lits fluidisés, la combustion dans un tambour en rotation, la gazéification du bois, la combustion des déchets solides. Il est déterminant de pouvoir mieux maitriser et contrôler ces phénomènes complexes afin de réduire la consommation d’énergie et l’empreinte environnementale. Une meilleure compréhension des couplages mis en jeu dans ces écoulements (hydrodynamique, chimique, thermique) est un élément essentiel pour l’aide à l’optimisation et le contrôle de ces procédés. De plus la capitalisation des connaissances acquises dans des codes CFD permettra de mieux prédire ces écoulements apportant ainsi une aide précieuse pour la conception. Néanmoins, il s’agit d’un verrou scientifique majeur. La très grande difficulté à modéliser ces écoulements réside dans la très grande variété de configurations qui peuvent être rencontrées en fonction de la fraction volumique de particules, la charge massique des particules, la taille des particules par rapport à celle des mailles, la nature de l’écoulement chargé de particules. En prenant en compte les transferts de quantité de mouvement, de chaleur et de masse, et les couplages entre les phases, le travail de modélisation des écoulements particulaires réactifs reste un vrai challenge.<br /><br />L’objectif de MORE4LESS est de proposer une approche de modélisation multi-échelles des écoulements particulaires réactifs. En particulier, nous concentrons nos efforts de modélisation sur l’approche mésoscopique Euler/Lagrange, qui représente le point faible, dans la prédiction des écoulements réactifs denses et dilués. Ces nouveaux modèles seront implantés dans le code LES massivement parallèle YALES2, nous permettant ainsi de franchir un pas décisif vers l’optimisation des procédés semi-industriels.
Le travail proposé s’appuie sur une décomposition en trois échelles, avec une approche appropriée pour chaque échelle : l’échelle microscopique (micro) où l’écoulement autour des particules est entièrement résolu, l’échelle mésoscopique (méso) en utilisant l’approche Euler/Lagrange, l’échelle macroscopique (macro) en utilisant l’approche Euler/Euler.
La stratégie choisie est de transférer les modèles méso hydrodynamiques non turbulents du code IFPEN, PeliGRIFF vers le code LES du CORIA, YALES2 et d’étendre les modèles méso pour prendre en compte les réactions chimiques, les transferts de masse et de chaleur et la turbulence.
Ce nouvel outil de simulation sera utilisé pour transférer les connaissances acquises et les modèles depuis l’échelle micro jusqu’à l’échelle méso (de PeliGRIFF vers YALES2), et pour mettre en place les transferts des modèles depuis l’échelle méso jusqu’à l’échelle macro (de YALES2 vers le code IMFT, NEPTUNE_CFD).
Dans ce projet, le travail de recherche est composé de quatre tâches techniques et est organisé suivant deux axes majeurs :
1. Développement d’un nouvel outil numérique massivement parallèle pour compléter les analyses multi-échelles micro/méso/macro
a) La tâche 1 a pour objectif de dériver des lois de fermeture pour les transferts de quantité de mouvement, de chaleur et de masse entre le fluide et les particules à partir de simulations micro.
b) La tâche 2 a pour but de développer une nouvelle approche à l’échelle méso Euler/Lagrange dans un code numérique massivement parallèle
2. Exploitation du nouvel outil pour progresser dans la compréhension des phénomènes physiques et de la conception industrielle
a ) La tâche 3 est dédiée à la capitalisation des avancées dans l’analyse multi-échelle et à la validation sur des cas tests bien documentés
b) La tâche 4 consiste à appliquer le nouvel outil de simulation développé dans la tâche 2 à des configurations industrielles de petite taille.
Les premières validations des modèles et couplages hydrodynamiques et des transferts de chaleur à l'échelle méso ont été réalisées sur des expériences de laboratoire avec l'outil Yales2.
A l’issue du projet, l’acquisition d’une meilleure compréhension des phénomènes couplés (hydrodynamiques, chimiques et thermiques) ainsi que la capitalisation de ces connaissances dans un code CFD avec la possibilité de réaliser des calculs sur des architectures massivement parallèles permettront d’appliquer les modèles sur des problématiques à l’échelle industrielle. Ainsi de nombreuses applications impliquant des écoulements particulaires turbulents et réactifs, telles que les unités de craquage catalytique, les systèmes de gazéification des déchets et de la biomasse, les unités de combustion en boucle chimique, les récepteurs solaires pourront être étudiés et optimisés, des concepts plus astucieux et plus durables pourront également être développés.
Un papier publié dans les Proceedings of the Summer Program 2016 (Y. Dufresne et al.), un autre dans la conférence ICPM6 (A. Hammouti et al.), un papier a été soumis à Int. J. of Multiphase Flow (A. Esteghamatian et al.)
De nombreux procédés industriels comme la combustion de charbon, le craquage catalytique, les réacteurs de polymérisation en phase gazeuse ou, plus récemment, la gazéification de biomasse et le chemical looping mettent en jeu des écoulements réactifs dans lesquels une phase fluide coexiste avec une phase solide dispersée. Dans un contexte de coût croissant de l'énergie et de transition énergétique, améliorer la maitrise et la conception de ces procédés représente un défi scientifique et technologique majeur (MORE control 4 LESS environmental footprint). Ainsi, il s'agit avant tout de bien comprendre les différents couplages: hydrodynamiques, chimiques, thermiques, dans ces écoulements et de pouvoir les prédire de façon fiable. L'objectif de MORE4LESS est de bâtir une modélisation multi-échelle des écoulements particulaires réactifs, et de travailler sur le chainon faible, l'échelle méso, pour construire un modèle Euler/Lagrange non-isotherme avec réactions chimiques pour les écoulements chargés en particules en régime dense et dilué. Ce modèle sera implanté dans un code numérique massivement parallèle nous permettant d'envisager le design de systèmes semi-industriels.
Coordination du projet
Karine Truffin (IFP Energies nouvelles)
L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.
Partenaire
IMFT Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse
UBC UNIVERSITY OF BRITISH COLUMBIA
IFPEN IFP Energies nouvelles
CORIA COmplexe de Recherche Interprofessionnel en Aérothermochimie, Rouen
Aide de l'ANR 464 863 euros
Début et durée du projet scientifique :
septembre 2014
- 48 Mois
