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27 11 2007 MFEE / I83 - Club-U Saturne 1 Étude de la convection mixte autour dun cylindre vertical chauffant en écoulement transverse Yannick Lecocq Thèse.

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1 MFEE / I83 - Club-U Saturne 1 Étude de la convection mixte autour dun cylindre vertical chauffant en écoulement transverse Yannick Lecocq Thèse CIFRE : Encadrement MFEE I83/LEA (Poitiers)

2 MFEE / I83 - Club-U Saturne 2 Plan Introduction 1.Étude bibliographique Contexte Écoulements autour de cylindre Présentation des modèles de turbulence 2.Cas tests Convection forcée Convection naturelle Convection mixte 3.Application industrielle Conclusion et perspectives

3 MFEE / I83 - Club-U Saturne 3 Étude bibliographique 1

4 MFEE / I83 - Club-U Saturne 4 Contexte Au sein du groupe I83 : thermohydraulique monophasique Développement des outils numériques Code_Saturne/Syrthes Domaine Aval du cycle – Équipe Entreposage Objectifs : Développer et qualifier des approches simples permettant dévaluer les performances thermiques des concepts dentreposage de longue durée des déchets nucléaires Valider les modèles disponibles de convection naturelle et mixte dans une gamme de paramètres représentatifs du refroidissement des déchets

5 MFEE / I83 - Club-U Saturne 5 Périmètre de létude Bibliographique Cylindre seul avec et sans thermique : Reynolds (différents régimes) Facteur de blocage Rapport daspect (hauteur/diamètre) Rayleigh, Froude (différents types de convection) Modèles de turbulence avec prise en compte de la thermique : Degré de modélisation ? Gradient simple ou gradient généralisé Modèles algébriques Équations de transport

6 MFEE / I83 - Club-U Saturne 6 Bas-Reynolds : k- SST Intégration des équations jusquà la paroi Test suivant y + entre les modèles k- et k- Thermique : Gradient simple R ij - SSG à pondération elliptique Intégration des équations jusquà la paroi Reproduction de lanisotropie en proche paroi Thermique : modèle algébrique des flux turbulents Modèles de turbulence

7 MFEE / I83 - Club-U Saturne 7 Présentation du modèle à pondération elliptique : EB-RSM (1/2) Approche de Durbin (1993) : la relaxation elliptique Reproduction des effets cinématiques Effet de blocage Écho de paroi Reproduction des effets dynamiques Cisaillement moyen Amortissement visqueux Recouvrement des échelles

8 MFEE / I83 - Club-U Saturne 8 Présentation du modèle à pondération elliptique (2/2) Importance et rôle de la corrélation pression-déformation :

9 MFEE / I83 - Club-U Saturne 9 Modèles des flux thermiques turbulents Modèle à gradient simple, SGDH, par défaut dans Code_Saturne : Modèle à gradient généralisé, GGDH : Modèle algébrique, AFM :

10 MFEE / I83 - Club-U Saturne 10 Qualification des modèles k- SST et EB-RSM Étude de différents cas tests 2

11 MFEE / I83 - Club-U Saturne 11 Sensibilité au maillage des modèles k- SST et EB-RSM Forte sensibilité au maillage pour le k- SST

12 MFEE / I83 - Club-U Saturne 12 Canal vertical en convection naturelle (DNS de Versteegh, 1998) : simulations avec le k- SST Le SST ne produit pas assez de turbulence ; Remarque : par rapport à la DNS, le flux total nest pas conservé !

13 MFEE / I83 - Club-U Saturne 13 Canal vertical en convection mixte (DNS de Kasagi, 1997) : simulations avec le k- SST et lEB-RSM Écoulement ascendant = 150, T = 1, Gr = 9, et Ri = Gr/Re²=0.05

14 MFEE / I83 - Club-U Saturne 14 Application industrielle Études thermoaérauliques pour lentreposage 3

15 MFEE / I83 - Club-U Saturne 15 Position du problème Halls dentreposage : principe du thermosiphon Convection mixte : limite de validité des codes de calcul Modélisation de lécoulement autour dun cylindre -Qualification dune méthodologie -Choix dun modèle de turbulence et dun maillage

16 MFEE / I83 - Club-U Saturne 16 Données expérimentales CEA (Grenoble) : maquette VALIDA LEA (Poitiers) Pour différents couples (V, ) : Températures fluide dans le panache solide sur le cylindre Banque de données expérimentale sur léchange thermique Champ de vitesse en isotherme sur le couvercle proche sillage sillage lointain Comparaison essai/calcul

17 MFEE / I83 - Club-U Saturne 17 Mesures réalisées au CEA Air PIV LDV Grille mobile de capteurs de température

18 MFEE / I83 - Club-U Saturne 18 Mesures réalisées au LEA

19 MFEE / I83 - Club-U Saturne 19 Maillages du domaine fluide, k- SST 1,2 M cellules Volume fini ; maillage conforme. Conditions aux limites : 1 paroi ; 2 symétrie ; 3 entrée ; 4 sortie ,83 M cellules

20 MFEE / I83 - Club-U Saturne 20 Maillage solide Rapport daspect du cylindre : H/D=3 Épaisseur du cylindre : 3mm cellules Conditions aux limites : Flux imposé (1) Échange (2) (1)

21 MFEE / I83 - Club-U Saturne 21 T S (n+1) = f( (n),T F (n) ) T F (n+1) = f( (n),T S (n) ) … pas suivant T F (n) T S (n) (n) =h (n) [T F (n) -T S (n) ] Couplage fluide/solide Fluide : U-RANS Solide : équation de la chaleur instationnaire Code_Saturne Code en volumes finis - discrétisation colocalisée Couplage vitesse/pression : - méthode de prédiction / correction (P, U i, k,, T)= /10 -5 schéma spatial : - vitesse, température : centré avec test de pente - grandeurs turbulentes : upwind 1 er ordre en temps - Euler implicite Profil de vitesse, I k =2%, longueur de mélange Propriétés physiques variables Syrthes code éléments finis -éléments tétraédriques à 10 nœuds fonctions de bases linéaires 1er ordre en temps - Euler implicite Couplage

22 MFEE / I83 - Club-U Saturne 22 Régimes thermique et hydraulique Vitesse Puissance

23 MFEE / I83 - Club-U Saturne 23 Champs de T air moyennes dans le panache Plan x=40cm Expérience k- SST LES =600W/m² V i =1 m/s

24 MFEE / I83 - Club-U Saturne 24 Champs de T air moyennes dans le panache =850W/m² V i =1 m/s x=0.5mx=1mx=1.5m

25 MFEE / I83 - Club-U Saturne 25 Températures dair moyennes dans le panache x y Plan médian

26 MFEE / I83 - Club-U Saturne 26 Champs de température sur le cylindre Tendances retrouvées ; Sous-estimation des T s au point darrêt amont

27 MFEE / I83 - Club-U Saturne 27 Lignes de courant moyennes =600W/m² V i =1 m/s =850W/m² V i =1 m/s =330W/m² V i =1 m/s

28 MFEE / I83 - Club-U Saturne 28 Synthèse de quelques grandeurs Strouhal ~ 0,2 => allée de Karman Atténuation de lallée avec la hauteur

29 MFEE / I83 - Club-U Saturne 29 Flottabilité=O(convection) mais flottabilité > convection Flottabilité >> convection mais flottabilité faible Comparaison entre flottabilité et convection

30 MFEE / I83 - Club-U Saturne 30 Effets de la flottabilité sur le champ fluide Isotherme V i =1 m/s =600W/m² V i =1 m/s =600W/m², V i =1 m/s g z = 0 m/s²

31 MFEE / I83 - Club-U Saturne 31 Conclusion et perspectives Modèles k- SST et EB-RSM Sensibilité au maillage forte pour le SST Limite de lhypothèse de viscosité turbulente en convection naturelle Degré de modélisation élevé avec la pondération elliptique Modèle k- SST Caractéristiques des écoulements autour de cylindre de hauteur finie retrouvées : Strouhal, tourbillon en fer à cheval, tourbillons marginaux… Concordance correcte des résultats en températures autour du solide et dans le panache par rapport à lexpérience et la LES. Mise en évidence de limportance et du rôle joué par la flottabilité Perspectives Comparaison des résultats de calcul et des mesures sur les champs de vitesses Validation du modèle à pondération elliptique avec thermique à poursuivre Finalisation des calculs en cours et post-traitement correspondant


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