Formal and numerical developments towards Particle-Resolved Direct Numerical Simulation of hydrogen combustion in fluidized bed
Yvan Guirault
Vendredi 13 septembre à 10 h 30 Amphithéâtre Nougaro
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Abstract
This thesis work was carried out as part of the ANR MIMOSAH project, which aims to characterize the combustion of hydrogen in a fluidized bed, in the presence of partially inert particles, taking into account surface reactions. The objective is to model combustion in a particulate environment from micro to macro scale, using a dual numerical and experimental approach. This thesis focuses on the numerical approach at the microscopic scale, particularly the development of a numerical strategy for the direct numerical simulation of hydrogen combustion in the presence of fully resolved particles. The starting point of this work is the RESPECT code, based on the resolution of a single-fluid formulation on Cartesian grids, coupled with a viscous penalization method to handle fluid-solid interaction. Initially, the code had only been validated in an incompressible and anisothermal context, without including models for gaseous combustion phenomena and surface chemistry.
This work presents a series of formal and numerical developments aimed at integrating the description of these phenomena into the RESPECT code.
Firstly, formal developments are presented. A « single-field » formulation in the sense of distributions is developed to describe the reactive
gas-solid flow, in order to adapt and extend Kataoka’s work [IJMF, 1986] to the context of the thesis. Then, spatial smoothing is applied to the
obtained equations, with the goal of deriving a rigorous single-fluid formulation. Secondly, numerical developments are addressed. Since
surface reactions appear in the « single-field » formulation as singular interfacial source terms, a geometric method is first developed and
validated to discretize this type of terms. Then, the core of the thesis work is addressed, which concerns the extension of the RESPECT code to
account for the reactive multi-species nature of the gas phase, with immobile solid particles and in the absence of surface reactions. This
extension is based on the weakly compressible scheme of Caltagirone et al. [Computers & Fluids, 2011]. Finally, numerical simulations of
hydrogen/air combustion, first in the absence of solids and then in the presence of an inert solid medium, are carried out for validation and
analysis purposes.
Directeur de thèse : Enrica Masi, MdC IMFT/UPS
Co-encadrant : Amine Chadil, Ingénieur de recherche laboratoire MSME/CNRS
Résumé en Français:
Ce travail de thèse a été réalisé dans le cadre du projet ANR MIMOSAH qui vise à caractériser la combustion d’hydrogène en lit fluidisé, en
présence de particules partiellement inertes, avec prise en compte de réactions de surface. L’objectif est de modéliser la combustion en
milieu particulaire de la micro à la macro-échelle, avec une double approche numérique et expérimentale. Cette thèse concerne l’approche
numérique à l’échelle microscopique, et plus particulièrement le développement d’une stratégie numérique pour la simulation numérique
directe de la combustion d’hydrogène en présence de particules complètement résolues. Le point de départ de ce travail est le code
RESPECT, basé sur la résolution d’une formulation monofluide sur maillage Cartésien, doublée d’une méthode de pénalisation visqueuse pour
traiter l’interaction fluide solide. Initialement, le code avait été validé uniquement dans un contexte incompressible et anisotherme, sans
inclure de modèles pour les phénomènes de combustion gazeuse et de chimie de surface. Ce travail présente donc une série de développements
formels puis numériques, en vue d’intégrer la description de ces phénomènes dans le code RESPECT.
Dans un premier temps, des dévelopements formels sont présentés. Une formulation « single-field » au sens des distributions est développée pour
décrire l’écoulement réactif gaz-solide, afin d’adapter et étendre le travail de Kataoka [IJMF, 1986] au contexte de la thèse. Ensuite, un
lissage spatial est appliqué aux équations obtenues, dans l’objectif de dériver une formulation monofluide rigoureuse. Dans un second temps, des développements numériques sont abordés. Puisque les réactions de surface apparaissent dans la formulation « single-field » sous la forme de termes sources interfaciaux singuliers, une méthode géométrique est d’abord développée et validée pour discrétiser ce type de termes. Ensuite, le
cœur du travail de thèse est abordé, qui concerne l’extension du code RESPECT pour prendre en compte le caractère multi-espèce réactif de la
phase gazeuse, avec des particules solides immobiles et en l’absence de réaction de surface. Cette extension est basée sur le schéma faiblement compressible de Caltagirone et al. [Computers & Fluids, 2011]. Des simulations numériques de la combustion hydrogène/air, d’abord en l’absence de solides et ensuite en présence d’un milieu solide inerte sont enfin réalisées à des fins de validation et d’analyse.
Directeur de thèse : Enrica Masi, MdC IMFT/UPS
Co-encadrant : Amine Chadil, Ingénieur de recherche laboratoire MSME/CNRS
