Dissertations / Theses on the topic 'Two-Phase Reactive Flow'

L'allumage et le réallumage de haute altitude présentent de grandes difficultés dans le cadre des chambres de combustion aéronautiques. Le succès d'un allumage dépend de multiples facteurs, des caractéristiques de l'allumeur à la taille des gouttes du spray en passant par le niveau de turbulence au point d'allumage. Déterminer la position optimale de l'allumeur ou le potentiel d'allumage d'une source d'énergie donnée à une position donnée sont ainsi des paramètres essentiels lors du design de chambre de combustion. Le but de ces travaux de thèse est d'étudier l'allumage forcé des chambres de combustion aéronautiques. Pour cela, des Simulation numériques aux Grandes Echelles (SGE) d'écoulements diphasiques réactifs sont utilisées et analysées. Afin de les valider, des données expérimentales issues du banc MERCATO installé à l'ONERA Fauga-Mauzac sont utilisées. Cela permet dans un premier temps de valider la méthodologie ainsi que les modèles utilisés pour les SGE diphasiques évaporantes avant leur utilisation dans d'autres conditions d'écoulement. Le cas diphasique réactif statistiquement stationnaire est ensuite comparé aux données disponibles pour évaluer les modèles en condition réactives. Ce cas est étudié plus en détail à travers l'analyse de caractéristiques de la flamme. Celle-ci semble être le théâtre de régimes de combustion très différents. On note aussi que la détermination de la méthode numérique la plus appropriée pour le calcul d'écoulements diphasiques n'est pas évidente. De plus, deux méthodes numériques différentes peuvent donner des résultats en bon accord avec l'expérience et pourtant avoir des modes de combustion différents. Les capacités de la SGE à correctement calculer un écoulement diphasique réactif étant validé, des SGE du phénomène transitoire d'allumage sont effectuées. La sensibilité observée expérimentalement de l'allumage aux conditions initiales, i.e. à l'instant de claquage, est retrouvé par les SGE. L'analyse met en évidence le rôle prépondérant de la dispersion du spray dans le développement initial du noyau de flamme. L'utilisation des SGE pour calculer les séquences d'allumage fournie de nombreuses informations sur le phénomène d'allumage, cependant d'un point de vue industriel, cela ne donne pas de résultat optimal, à moins de ne tester toutes les positions, ce qui rendrait le coût CPU déraisonnable. Des alternatives sont donc nécessaires et font l'objet de la dernière partie de ces travaux. On propose de dériver un critère local d'allumage, donnant la probabilité d'allumage à partir d'un écoulement diphasique (air et carburant) non réactif instationnaire. Ce modèle est basé sur des critères liés aux différentes phases menant à un allumage réussi, de la formation d'un premier noyau à la propagation de la flamme vers l'injecteur. Enfin, des comparaisons avec des données expérimentales sur des chambres aéronautiques sont présentées et sont en bon accord, indiquant que le critère d'allumage proposé, couplé avec une SGE d'écoulement diphasique non réactif, peut être utilisé pour optimiser la puissance et la position du système d'allumage<br>Ignition and altitude reignition are critical issues for aeronautical combustion chambers. The success of ignition depends on multiple factors, from the characteristics of the igniter to the spray droplet size or the level of turbulence at the ignition site. Finding the optimal location of the igniter or the potential of ignition success of a given energy source at a given location are therefore parameters of primary importance in the design of combustion chambers. The purpose of this thesis is to study forced ignition of aeronautical combustion chambers. To do so, Large Eddy Simulations (LES) of two-phase reacting flows are performed and analyzed. First, the equations of the Eulerian formalism used to describe the dispersed phase are presented. To validate the successive LES, experimental data from the MERCATO bench installed at ONERA Fauga-Mauzac are used. It allows to validate the two-phase evaporating flow LES methodology and models prior to its use to other flow conditions. The statistically stationary two-phase flow reacting case is then compared to available data to evaluate the model in reacting conditions. This case is more deeply studied through the analysis of the characteristics of the flame. This last one appears to experience very different combustion regimes. It is also seen that the determination of the most appropriate methodology to compute two-phase flow flame is not obvious. Furthermore, two different methodologies may both agree with the data and still have different burning modes. The ability of the LES to correctly compute burning two-phase flow being validated, LES of the transient ignition phenomena are performed. The experimentally observed sensitivity of ignition to initial conditions, i.e. to sparking time, is recovered with LES. The analysis highlights the major role played by the spray dispersion in the development of the initial flame kernel. The use of LES to compute ignition sequences provides a lot of information about the ignition phenomena, however from an industrial point of view, it does not give an optimal result, unless all locations are tested, which brings the CPU cost to unreasonable values. Alternatives are hence needed and are the objective of the last part of this work. It is proposed to derive a local ignition criterion, giving the probability of ignition from the knowledge of the unsteady non-reacting two-phase (air and fuel) flow. This model is based on criteria for the phases of a successful ignition process, from the first kernel formation to the flame propagation towards the injector. Then, comparisons with experimental data on aeronautical chambers are done and show good agreement, indicating that the proposed ignition criterion, coupled to a Large Eddy Simulation of the stationary evaporating two-phase non-reacting flow, can be used to optimize the igniter location and power

Aquesta tesi centra els seus esforços en l'àmbit de la microfluídica, un camp relativament recent dins de la Mecànica de Fluids, amb un futur prometedor i amb un ritme d'investigació intens en les seves diferents especialitzacions. En aquest sentit, la tesi presenta dos aportacions científiques principals. Primer, aporta una eina numèrica d'elaboració pròpia per realitzar simulacions de fluxos reactius en microcanals. Eina que s'aplica satisfactòriament a la identificació dels principals processos de transport involucrats en la oxidació parcial del metà per a produir gas de síntesi, i a l'estudi de l'efecte que tenen alguns paràmetres d'operació en aquest procés reactiu. Segon, estén el coneixement dels fluxos multifàsics en microunions en T, estudiant experimentalment fluxos de dues fases amb fluids principalment miscibles i en condicions supercrítiques, que son portats al seu equilibri vapor-líquid. Durant aquest estudi, a més, reporta un succés inesperat que presenta futurs reptes en l'aplicació d'aquest tipus de fluxos multifàsics.<br>The present thesis focuses on microfluidics, a relatively recent field of Fluid Mechanics with promising expectations and with an intense scientific interest on its different areas. In this regard, the thesis aims to provide two main scientific contributions. First, it presents an in-house numerical tool to carry out simulations of reactive flows within microchannels. The tool is successfully applied to the identification of the main transport phenomena involved on the partial oxidation of methane to produce synthesis gas, and to the analysis of the effect of several operating parameters on this reactive process. Second, it extends the knowledge on multiphase flows in microfluidic T-junctions with an experimental study of two-phase flows of mixtures of potentially miscible fluids, in supercritical conditions and in vapour-liquid equilibrium. In this study it is also reported an unexpected phenomenon, which brings new challenges to the application of these kind of multiphase flows.

La simulation numérique des grandes échelles (LES, pour Large Eddy Simulation) s'est imposée comme un outil numérique puissant pour la conception et l'analyse des brûleurs de sprays, permettant de capturer avec une grande précision les interactions complexes entre l'écoulement turbulent, la combustion et la dynamique des sprays. Cependant, cette précision accrue de la LES s'accompagne d'un coût CPU élevé. Ces simulations nécessitent souvent l'utilisation de maillages de grande taille afin de résoudre les turbulences à petite échelle et les fronts de flamme nets, ainsi que la gestion de nombreuses espèces chimiques et réactions. Ces exigences posent des défis importants en termes de ressources informatiques et de temps de calcul, ce qui peut freiner l'application pratique de la LES dans les processus de conception industrielle. Cette thèse s'attaque aux défis numériques associés à la LES des brûleurs de sprays en explorant et développant des approches numériques visant à réduire coût de calcul sans compromettre la précision des simulations. Trois stratégies principales sont étudiées : l'équilibrage de charge Euler-Lagrange, l'adaptation dynamique de maillage, et le clustering dynamique des termes source<br>Large Eddy Simulation (LES) has emerged as a powerful computational tool for the design and analysis of spray burners, offering the ability to capture the complex interactions between turbulent flow, combustion, and spray dynamics with high fidelity. However, the high accuracy of LES comes at a significant computational cost. The simulation of these systems often requires the use of large meshes in order to resolve fine-scale turbulence and sharp flame front as well as the handling of numerous species and chemical reactions. These demands pose substantial challenges in terms of the required computational resources and the time required for the simulation process, which can hinder the practical application of LES in industrial design processes. This thesis addresses the computational challenges associated with LES of spray burners by exploring and developing numerical approaches aimed at reducing the computational burden without compromising the accuracy of the simulations. Three primary strategies are investigated: Euler-Lagrange load balancing, Adaptive Mesh Refinement, and Dynamic Cell Clustering

Les activités humaines dans la subsurface se développent rapidement (stockage de déchets,nouvelles techniques minières, stockage à haute fréquence de l’énergie), alors que dans le même temps les attentes du public et des autorités s’intensifient. L’évaluation de chaque étape de ces opérations souterraines repose sur des études détaillées de la sûreté et des impacts environnementaux.Elles reposent sur des simulateurs élaborés et sur de la modélisation multiphysique. Avec leur approche orientée processus, les simulations en transport réactifs proposent une méthode efficace pour comprendre et prévoir le comportement de ces systèmes complexes, à différentes échelles de temps et d’espace.Le but de ce travail est d’intégrer la résolution de l’écoulement diphasique compressible dans le cadre de codes de transport réactifs à l’aide d’une méthode de séparation d’opérateurs. Un module multiphasique a été créé dans le code de transport réactif HYTEC. Une nouvelle approche a ensuite été développée pour coupler écoulement multicomposant multiphasique compressible, description de propriétés thermo-dynamiques complexes pour les fluides, avec des codes de transport réactif. La méthode a été intégrée dans HYTEC. Des cas de validation sont proposés, puis des exemples d’application pour la simulation du stockage souterrain de CO2 et des impuretés associées<br>Human activity in the subsurface has rapidly been expanding and diversifying (waste disposal, new mining technologies, high-frequency storage of energy), while the public and regulatory expectations keep growing. The assessment of each step of underground operations requires careful safety and environmental impact evaluations. They rely on elaborate simulators and multiphysics modeling. With its process-based approach, reactive transport simulation provides an effective way to understand and predict the behavior of such complex systems at different time and spatial scale.This work aims at incorporating a compressible multiphase flow into conventional reactive transport framework by an operator splitting approach. A multiphase flow module is developed in the HYTEC reactive transport software. A new approach is then developed to fully couple multiphase multicomponent compressible flow, the complex thermodynamic description of the fluid properties, with existing reactive transport codes. The method is implemented in HYTEC. Some validation is provided, before application to the simulation of underground storage of CO2 and associated impurities

L'objet de ce travail est l'etude de l'optimix#, un melangeur statique unique, puisqu'il est completement calculable par une methode inverse a partir de caracteristiques recherchees pour le produit final et des proprietes physiques des fluides a melanger. L'etude a debute par la construction d'un dispositif experimental qui a permis une qualification du melangeur en ecoulement monophasique et en ecoulement diphasique. Cette phase a ete completee par une caracterisation basee sur une methode chimique utilisant une nouvelle reaction test et un modele de micromelange developpes au laboratoire des sciences du genie chimique de nancy. L'etude montre que l'optimix# est un excellent melangeur tant du point de vue du macromelange que du micromelange. La capacite du melangeur a mettre en uvre des reactions chimiques rapides a ete demontree. L'organisation simple de l'ecoulement dans l'optimix#, imposee par sa conception, lui confere la propriete d'etre entierement calculable, qualite qu'il ne partage a ce jour avec aucun autre melangeur. Ce travail met a jour l'hydrodynamique interne du melangeur, justifie l'universalite de la procedure de dimensionnement dont la validation repose sur l'ensemble du travail de qualification

Dans l’industrie chimique, la majorité des réacteurs est équipée d’un dispositif « évent de sécurité » permettant d’éviter leur éclatement en cas de surpression accidentelle conséquente à un emballement. La nature physique du rejet (gazeux ou diphasique gaz-liquide) influe fortement sur la taille requise de l’évent. L’objectif de notre étude est de connaitre mieux le comportement de l’écoulement (désengagement) en cas d’un emballement de réaction et de prédire la nature du rejet (mono ou diphasique) notamment à l’échelle industrielle.Une étude expérimentale d’une réaction d'estérification fut réalisée dans un réacteur en verre de 0,5 l afin de visualiser la nature de l’écoulement et de mesurer la fraction de vide moyenne (ᾱ) lors de l’emballement de réaction. Une étude paramétrique fut effectuée de façon à identifier, pour le régime d'écoulement et la transition, les paramètres clés : la viscosité et l’agitation. Un calorimètre pseudo-adiabatique (VSP2) fut utilisé pour étudier la thermodynamique de l’emballement d’estérification. Les bilans massique et énergétique ont été utilisés pour calculer la vitesse superficielle de la vapeur (jg,max). En outre, le jg, max fut calculé aussi à partir de différentes corrélations, issues d’études en colonne à bulles. Une comparaison entre les résultats obtenus a montré l’inadéquation de ces corrélations pour un système réactif. Une carte de régime pour un système réactif a été construite pour la première fois (jg,max versus ᾱ, combinée à l'observation du régime d'écoulement dans le réacteur), avec une méthodologie pour la prédiction de la nature du rejet en cas d’emballement<br>In chemical industry, most reactors are equipped with an emergency relief vent to prevent bursting in case of accidental overpressure due to a runaway reaction scenario. The physical nature of the vent release (gas phase or gas-liquid) strongly influences the necessary vent size. The objective is to enhance the knowledge on the flow behavior (disengagement) during a runaway reaction and to be able to predict the nature of the vent flow (1 or 2-phase) namely at industrial scale.Experiments of esterification were done in a 0.5 l glass reactor in order to visualize the flow pattern (hydrodynamic) and to measure the average void fraction (ᾱ) during the runaway. A parametric study was carried out to identify the key parameters onto the flow pattern and transition, they were: the viscosity and the stirring. A pseudo-adiabatic calorimeter (VSP2) was used to study the runaway P and T profile and the kinetic of the esterification. The thermodynamic data and the mass &amp; heat balances were used to calculate the superficial vapor velocity (jg,max). Furthermore, this jg,max was also calculated from different correlations, obtained from bubble column research. A comparison showed the incorrectness of using these correlations for a reactive system. A flow pattern map (jg,max versus ᾱ combined with the observation of the flow pattern,) for a reactive system was built up for the first time together with a methodology to predict the vent flow nature

La réduction des émissions polluantes des turboréacteurs nécessite une plus grande maîtrise du dimensionnement du système d’injection du mélange air-carburant au sein de la chambre de combustion.L’objectif de la thèse est d’améliorer la compréhension de la dynamique des écoulements swirlés, rencontrés dans les chambres aéronautiques. La simulation aux grandes échelles, qui exploite les super-calculateurs les plus puissants, est devenue un outil d’analyse incontournable. Cependant, la taille des simulations et le volume de données générées rendent difficile l’extraction des phénomènes à grande échelle. A cette fin, de nouvelles méthodes de post-traitement parallèles qui permettent d’accéder à l’évolution temporelle des structures tourbillonnaires dans des géométries complexes sont proposées.Ces méthodes sont appliquées à l’étude de la dynamique de flammes swirlées diphasiques dans lesquelles les structures cohérentes interagissent avec la zone réactive et le brouillard de gouttes<br>The reduction of pollutant emissions of aeronautical devices requires to optimize the design of the injection systems in the combustion chamber. The objective of this work is to improve the understandingof the flow dynamics in swirl stabilized burners. Large Eddy Simulation has become a major tool for the analysis of such flows. The steady increase in computational power enables to perform high-fidelity simulations, that generates a large amount of data, making it difficult to extract relevant information regarding the large scale phenomena. To this aim, massively parallel post-processing methods, suited for complex geometries, were developed in order to extract large-scale structures in turbulent flows. These methods were applied to simulations of spray flames in swirl burners, to get a better insight of how the large scale structures interact with the flame topology and the spray dynamics

Les travaux de cette thèse portent sur des méthodes de volumes finis sur maillages quelconque pour la discrétisation de problèmes d'évolution non linéaires modélisant le transport de contaminants en milieu poreux et les écoulements diphasiques.Au Chapitre 1, nous étudions une famille de schémas numériques pour la discrétisation d'une équation parabolique dégénérée de convection-reaction-diffusion modélisant le transport de contaminants dans un milieu poreux qui peut être hétérogène et anisotrope. La discrétisation du terme de diffusion est basée sur une famille de méthodes qui regroupe les schémas de volumes finis hybrides, de différences finies mimétiques et de volumes finis mixtes. Le terme de convection est traité à l'aide d'une famille de méthodes qui s'appuient sur les inconnues hybrides associées aux interfaces du maillage. Cette famille contient à la fois les schémas centré et amont. Les schémas que nous étudions permettent une discrétisation localement conservative des termes d'ordre un et d'ordre deux sur des maillages arbitraires en dimensions d'espace deux et trois. Nous démontrons qu'il existe une solution unique du problème discret qui converge vers la solution du problème continu et nous présentons des résultats numériques en dimensions d'espace deux et trois, en nous appuyant sur des maillages adaptatifs.Au Chapitre 2, nous proposons un schéma de volumes finis hybrides pour la discrétisation d'un problème d'écoulement diphasique incompressible et immiscible en milieu poreux. On suppose que ce problème a la forme d'une équation parabolique dégénérée de convection-diffusion en saturation couplée à une équation uniformément elliptique en pression. On considère un schéma implicite en temps, où les flux diffusifs sont discrétisés par la méthode des volumes finis hybride, ce qui permet de pouvoir traiter le cas d'un tenseur de perméabilité anisotrope et hétérogène sur un maillage très général, et l'on s'appuie sur un schéma de Godunov pour la discrétisation des flux convectifs, qui peuvent être non monotones et discontinus par rapport aux variables spatiales. On démontre l'existence d'une solution discrète, dont une sous-suite converge vers une solution faible du problème continu. On présente finalement des cas test bidimensionnels.Le Chapitre 3 porte sur un problème d'écoulement diphasique, dans lequel la courbe de pression capillaire admet des discontinuité spatiales. Plus précisément on suppose que l'écoulement prend place dans deux régions du sol aux propriétés très différentes, et l'on suppose que la loi de pression capillaire est discontinue en espace à la frontière entre les deux régions, si bien que la saturation de l'huile et la pression globale sont discontinues à travers cette frontière avec des conditions de raccord non linéaires à l'interface. On discrétise le problème à l'aide d'un schéma, qui coïncide avec un schéma de volumes finis standard dans chacune des deux régions, et on démontre la convergence d'une solution approchée vers une solution faible du problème continu. Les test numériques présentés à la fin du chapitre montrent que le schéma permet de reproduire le phénomène de piégeage de la phase huile.

Non-isothermal compositional two-phase flow is considered to be one of the fundamental physical processes in the field of water resources research. The strong non-linearity and discontinuity emerging from phase transition phenomena pose a serious challenge for numerical modeling. Recently, Lauser et al.[1] has proposed a numerical scheme, namely the Nonlinear Complementary Problem (NCP), to handle this strong non-linearity. In this work, the NCP is implemented at both local and global levels of a Finite element algorithm. In the former case, the NCP is integrated into the local thermodynamic equilibrium calculation. While in the latter one, it is formulated as one of the governing equations. The two different formulations have been investigated through several well established benchmarks and analyzed for their efficiency and robustness. In the second part of the thesis, the presented numerical formulations are applied for application and process studies in the context of nuclear waste disposal in Switzerland. Application studies comprehend the coupling between multiphase transport model and complex bio-geo-chemical process to investigate the degradation of concrete material due to two major reactions: carbonation and Aggregate Silica Reaction(ASR). The chemical processes are simplified into a lookup table and cast into the transport model via source and sink term. The efficiency and robustness of the look-up table are further compared with a fully reactive transport model.

Particle laden flows occur in industrial applications ranging from droplets in gas turbines to fluidized bed in chemical industry. Prediction of the dispersed phase properties such as concentration and dynamics are crucial for the design of more efficient devices that meet the new pollutant regulations of the European community. Numerical simulation coupling Lagrangian tracking of discrete particles with DNS or LES of the carrier phase provide a well established powerful tool to investigate particle laden flows. Such numerical methods have the drawback of being numerically very expensive for practical applications. Numerical simulations based on separate Eulerian balance equations for both phases, coupled through inter-phase exchange terms might be an effective alternative approach. This approach has been validated for the case of tracer particles with very low inertia that follow the carrier phase almost instantaneously due to their small response time compared with the microscale time scales of the carrier phase. Objective of this thesis is to extend this approach to more inertial particles that occur in practical applications such as fuel droplets in gas turbine combustors. Existing results suggest a separation of the dispersed phase velocity into a correlated and an uncorrelated component. The energy related to the uncorrelated component is about 30% of the total particle kinetic energy when the particle relaxation time is comparable to the Lagrangian integral time scale. The presence of this uncorrelated motion leads to stress terms in the Eulerian balance equation for the particle momentum. Models for this stress terms are proposed and tested. Numerical simulations in the Eulerian framework are validated by comparison with simulations using Lagrangian particle tracking. Additionally coupling of the Eulerian transport equations for the particles to combustion models is tested.

In the present work, two phase reacting flow in a single cavity Trapped Vortex Combustor (TVC) is studied at atmospheric conditions. KIVA-3V, numerical program for simulating three dimensional compressible reacting flows with sprays using Lagrangian-Drop Eulerian-fluid procedure is used. The stochastic discrete droplet model is used for simulating the liquid spray. In each computational cell, it is assumed that the volume occupied by the liquid phase is very small. But this assumption of very low liquid volume fraction in a computational cell is violated in the region close to the injection nozzle. This introduces grid dependence in predictions of liquid phase in the region close to the nozzle in droplet collision algorithm, and in momentum coupling between the liquid and the gas phase. Improvements are identified to reduce grid dependence of these algorithms and corresponding changes are made in the standard KIVA-3V models. Pressure swirl injector which produces hollow cone spray is used in the current study along with kerosene as the liquid fuel. Modifications needed for modelling pressure swirl atomiser are implemented. The Taylor Analogy Breakup (TAB) model, the standard model for predicting secondary breakup is improved with modifications required for low pressure injectors. The pressure swirl injector model along with the improvements is validated using experimental data for kerosene spray from the literature. Simulations of two phase reacting flow in a single cavity TVC are performed and the temperature distribution within the combustor is studied. In order to identify an optimum configuration with liquid fuel combustion, the following parameters related to fuel and air such as cavity fuel injection location, cavity air injection location, Sauter Mean Diameter (SMD) of injected fuel droplets, velocity of the fuel injected are studied in detail in order to understand the effect of these parameters on combustion characteristics of a single cavity TVC.

In the present work, two phase reacting flow in a single cavity Trapped Vortex Combustor (TVC) is studied at atmospheric conditions. KIVA-3V, numerical program for simulating three dimensional compressible reacting flows with sprays using Lagrangian-Drop Eulerian-fluid procedure is used. The stochastic discrete droplet model is used for simulating the liquid spray. In each computational cell, it is assumed that the volume occupied by the liquid phase is very small. But this assumption of very low liquid volume fraction in a computational cell is violated in the region close to the injection nozzle. This introduces grid dependence in predictions of liquid phase in the region close to the nozzle in droplet collision algorithm, and in momentum coupling between the liquid and the gas phase. Improvements are identified to reduce grid dependence of these algorithms and corresponding changes are made in the standard KIVA-3V models. Pressure swirl injector which produces hollow cone spray is used in the current study along with kerosene as the liquid fuel. Modifications needed for modelling pressure swirl atomiser are implemented. The Taylor Analogy Breakup (TAB) model, the standard model for predicting secondary breakup is improved with modifications required for low pressure injectors. The pressure swirl injector model along with the improvements is validated using experimental data for kerosene spray from the literature. Simulations of two phase reacting flow in a single cavity TVC are performed and the temperature distribution within the combustor is studied. In order to identify an optimum configuration with liquid fuel combustion, the following parameters related to fuel and air such as cavity fuel injection location, cavity air injection location, Sauter Mean Diameter (SMD) of injected fuel droplets, velocity of the fuel injected are studied in detail in order to understand the effect of these parameters on combustion characteristics of a single cavity TVC.