COndensation et Atomisation Liquide – COALA

Les travaux réalisés sur la simulation numérique directe de la condensation d’un liquide sont réalisés grâce au code de calcul académique DIVA spécialement conçu pour ce type d’applications. L’objectif de cette partie du projet est d’aboutir à la réalisation de simulations numériques directes tridimensionnelles et très résolues permettant de modéliser les transferts thermiques et la condensation au niveau d’une interface de forme quelconque (film horizontal, goutte sphérique isolée, goutte isolée posée sur une paroi, plusieurs gouttes posées sur une paroi) entre un liquide et une phase gazeuse. Un soin particulier doit être apporté au code de calcul de manière à bénéficier pleinement, à travers l’utilisation de supercalculateurs, du potentiel informatique mis à la disposition des chercheurs par les grands centres de calcul nationaux et régionaux. Une autre partie importante du projet est consacrée à l’étude des différents régimes d’écoulement gaz-liquide se produisant dans des petits canaux de section rectangulaire de
taille millimétrique ainsi que les caractéristiques des gouttelettes formées en sortie du canal en fonction du régime d’écoulement. Suivant la taille des gouttelettes émises, il peut être plus ou moins facile de les récupérer dans l’extracteur d’eau. Le système mis en place pour l’étude
expérimentale est constitué d’une section rectangulaire de quelques millimètres de côté et de longueur une vingtaine de centimètres. Nous avons entrepris de travailler par imagerie haute- cadence, peu utilisée jusqu’à présent dans ce genre d’étude, car elle a l’avantage de
permettre l’observation des différents mécanismes d’atomisation ainsi que la mesure des caractéristiques des gouttelettes formées à l’aide du traitement numérique des images.

Une étude paramétrique complète a été réalisée et a permis de caractériser l’influence des principaux nombres adimensionnels (nombre de Jakob, saut de densité, nombre de Reynolds, nombre de Prandtl) sur le nombre de Nusselt (et donc sur le taux de condensation) entre une surface liquide statique et un écoulement laminaire sous-refroidi de vapeur saturée. Cette étude a permis de définir une corrélation semi-empirique qui permet de déterminer le taux de condensation de l’interface liquide-gaz en fonction des paramètres du problème.
Des simulations numériques instationnaires, tridimensionnelles et hautement résolues ont également été réalisées en utilisant le code de calcul DIVA sur des calculs 3D avec des maillages contenant plus d’un milliard de points (1024x1024x1024). Cette étude a nécessité
un couplage des solveurs des équations de la Mécanique des Fluides, des solveurs adaptés aux phénomènes diphasiques (mouvement d’interface, condition de saut aux interface), des solveurs permettant de calculer les transferts thermiques dans tout le domaine de calcul, ainsi
que des techniques numériques permettant de prendre en compte la condensation d’une phase vapeur en un liquide, le tout intégré dans une structure de code de calcul permettant de réaliser des simulations sur des supercalculateurs massivement parallèles, ce qui, du point de vue méthodologique, constitue sans doute une première à l’échelle mondiale. La mise au point d’une expérience qui permettant de reproduire le processus d’atomisation dans l’extracteur d’eau a été réalisée.

Le potentiel des méthodologies numériques développées doit être exploité pleinement pour continuer à améliorer notre compréhension des phénomènes de condensation, ce qui sera l’un des objectifs forts dans la suite de ce projet, avec notamment la possibilité d’utiliser les simulations très résolues pour guider la conception de nouvelles corrélations dans des configurations plus complexes afin de pouvoir estimer simplement le taux de condensation pour un dispositif donné, ainsi que le flux thermique échangé entre un milieu fluide et une paroi solide. On entend par plus complexe, des configurations où l’écoulement externe pourrait par exemple être turbulent, où la forme de l’interface liquide-gaz pourrait être différent (multi-gouttes, transition entre gouttes et film liquide)... Les travaux déjà réalisés ouvrent des perspectives prometteuses qui pourront être valorisées à travers d’autres projets de recherche sur des thématiques connexes.

Publication sous la forme d’une lettre en passe d’être soumise dans un journal international dans les prochaines semaines (corrélation condensation)

Invited speaker Gordon Research Conference – Micro and Nanoscale Phase Change Heat Transfer, Gavelston TX 2017

participation prévue à ICBCHT (International Conference on Boiling and Condensation Heat Transfer) 2018 à Nagasaki (communications avec acte) (corrélation condensation)

participation prévue à ICBCHT (International Conference on Boiling and Condensation Heat Transfer) 2018 à Nagasaki (communications avec acte) (simulation 3D de la condensation)

Afin de satisfaire aux exigences de performances économiques et écologiques des compagnies aériennes et de la société civile en général, les avionneurs proposent de recourir à des systèmes plus performants et moins consommateur de carburant. Ceci impacte directement les systèmes de conditionnement d’air aéronautiques, et s’applique également au secteur ferroviaire. A ce titre, le pack de conditionnement d’air doit évoluer vers une réduction de la masse, une plus grande compacité et une meilleure efficacité.

Le pack de conditionnement d’air est équipé d’un condenseur puis d’un extracteur d’eau qui permettent d’assécher l’air avant la détente dans la turbine du système de climatisation, afin d’éviter que la condensation de gouttelettes ne détériore les pales de la turbine, et d’empêcher la formation de brouillard en cabine et en cockpit pendant le fonctionnement au sol et à basse altitude. La boucle d’extraction d’eau représente environ 25% de la masse et du volume du pack de conditionnement d’air, et contribue à ses performances. Une meilleure connaissance des phénomènes physiques dans cette boucle constitue donc un enjeu crucial pour optimiser le système.

Le projet collaboratif COALA (COndensation And Liquid Atomization) a pour objectif d’améliorer la compréhension et la prédiction des phénomènes de condensation et d’atomisation de films liquides en amont de l’extracteur d’eau. Ce projet s’intéresse à deux phénomènes distincts :
-La condensation et la formation d’un film liquide dans les canaux millimétriques composant le faisceau du condenseur.
-L’atomisation en gouttelettes du film liquide en sortie du condenseur.
Ces deux problèmes découplés seront traités séparément mais de façon complémentaire par l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse. Une étude numérique est proposée dans le projet pour apporter des réponses quantitatives sur la problématique de la condensation dans les mini-canaux. Une étude expérimentale est destinée à étudier l’atomisation en gouttelettes du film liquide par un courant gazeux pour quantifier les distributions de tailles et vitesses des gouttes en sortie du condenseur. Les modélisations proposées par l’IMFT concernant le taux de condensation en mini canal et la distribution de taille de gouttelettes en sortie du mini canal seront implémentées par Liebherr Aerospace Toulouse dans un modèle 0D de la boucle de conditionnement d’air ou dans un modèle 3D de l’extracteur d’eau.

En réunissant des compétences universitaires (Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse) et industrielles (Liebherr Aerospace Toulouse), l’ambition de ce projet collaboratif est de participer à l’optimisation des systèmes de conditionnement d’air aéronautique et ferroviaire.