Caractérisation, modélisation et simulation d'écoulements turbulents diphasiques dans des échangeurs à plaques corruguées

Résumé

Les échangeurs de chaleur à plaques corrugués (CPHE) sont l’une des configurations d’échangeurs les plus couramment utilisées en raison de leur efficacité. Ces échangeurs sont constitués d’une superposition de plaques, chacune caractérisée par l’angle β entre l’orientation de l’ondulation et la direction de l’écoulement. L’orientation des ondulations étant opposée d’une plaque à l’autre, il en résulte un motif périodique caractérisé par une succession de canaux ondulés et de points de contact entre deux plaques. Les écoulements se déroulant au sein des CPHE d’Alfa Laval Packinox sont typiquement turbulents, ani-sothermes, diphasiques avec des changements de phases et des réactions chimiques. Ainsi, la richesse de la physique de ces écoulements vient s’ajouter à la complexité géométrique, posant de vrais défis pour l’étude de ces écoulements. Cette thèse s’inscrit dans l’amélio-ration de la compréhension des écoulements monophasiques et diphasiques, ainsi que des échanges de chaleur au sein des CPHE. La première partie de cette thèse se concentre sur l’étude d’écoulements turbulents monophasiques anisothermes par simulation numérique, en conditions périodiques, en employant les approches LES (Large Eddy Simulation) ré-solue à la paroi et RANS (Reynolds Average Navier-Stokes). Trois géométries avec des angles de corrugation différents sont considérées sur une gamme de nombres de Reynolds allant de 4 700 à 47 000. Les LES finement résolues permettent d’étudier l’organisation des structures se développant dans les CPHE. Nous avons identifié notamment que pour des valeurs modérées de Re et β, la perte de charge est principalement due à la contribu-tion de la contrainte de cisaillement à la paroi, tandis que pour des valeurs plus élevées, celle-ci résulte de la contribution de la pression sur les parois ondulées. De plus, nous observons que l’écoulement présente des zones assez importantes de production d’énergie cinétique turbulente négative, un phénomène qui ne peut pas être prédit par les mo-dèles RANS à viscosité turbulente. Les LES servent aussi de références pour confronter les résultats des simulations RANS, et améliorer leurs prédictions. Pour les simulations RANS, nous avons utilisé le modèle k ω SST, très répandu dans l’industrie, ainsi que trois modèles de flux algébriques pour le flux turbulent de chaleur. Nous proposons une optimisation des paramètres de ces modèles par algorithme génétique. Cette procédure permet de converger rapidement vers des coefficients réduisant fortement l’erreur sur la perte de charge et les coefficients d’échanges thermiques. Cependant, des erreurs sur la résolution de l’écoulement moyen subsistent. La seconde partie de cette thèse s’axe sur l’étude expérimentale d’écoulements diphasiques ascendants isothermes eau/air en CPHE. Un banc expérimental a été développé durant la thèse afin de caractériser par ombroscopie les régimes d’écoulement, dans ces échangeurs pour des taux de vides supérieurs à 55%, et des vitesses superficielles de liquide inférieures à 0,8 m/s et de gaz comprises entre 1 et 11 m/s. Plusieurs régimes d’écoulement sont décrits, du régime à bulles dispersées jusqu’aux régimes en film liquide aux parois. Des modèles de transitions de régimes sont également proposés, avec une attention particulière portée sur la limite d’entraînement du liquide par le gaz qui peut provoquer de lourds dommages aux échangeurs lors de l’application industrielle. Nous montrons que la perte de charge diphasique peut être prédite avec moins de 10% d’erreur, en utilisant le modèle homogène tiré en partie de nos simulations numé-riques pour les hauts débits, et des modèles adaptés des corrélations Lockhart-Martinelli sur l’ensemble de notre gamme de débit.

Abstract : 
Corrugated Plate Heat Exchangers (CPHE) are among the most commonly used heat exchanger configurations due to their high efficiency. These exchangers consist of a stack of plates, each characterized by an angle β between the corrugation orientation and the flow direction. Since the corrugation orientation alternates from one plate to another, this results in a periodic pattern composed of a succession of corrugated channels and contact points between two plates. The flows occurring within Alfa Laval Packinox CPHE are typically turbulent, non-isothermal, and two-phase, involving phase changes and chemical reactions. Thus, the richness of the underlying physics adds to the geometric complexity, posing significant challenges for studying such flows. This PhD thesis aims to improve the understanding of single-phase and two-phase flows, as well as heat transfer phenomena within CPHEs. The first part of this work focuses on the study of non-isothermal tur-bulent single-phase flows through numerical simulations under periodic conditions, using both wall-resolved Large Eddy Simulation (LES) and Reynolds Averaged Navier–Stokes (RANS) approaches. Three geometries with different corrugation angles are considered over a Reynolds number range from 4700 to 47000. The finely resolved LES allow the investigation of the flow structures developing inside the CPHE. It was found that for moderate values of Re and β, the pressure drop is mainly due to the wall shear stress contribution, whereas at higher values it is dominated by the pressure contribution on the corrugated walls. Moreover, the flow exhibits significant regions of negative turbulent ki-netic energy production, a phenomenon that cannot be captured by eddy-viscosity-based RANS models. The LES results are also used as a reference to validate and improve the RANS predictions. For the RANS simulations, the widely used k ω SST model was employed, along with three algebraic heat flux models for turbulent heat transfer. An optimization of these model parameters was carried out using a genetic algorithm, which quickly converged toward coefficients that significantly reduce the error in predicting pres-sure drop and heat transfer coefficients. However, residual discrepancies in the mean flow field remain.The second part of this thesis focuses on the experimental study of upward isothermal air–water two-phase flows in CPHEs. An experimental setup was developed during the thesis to characterize flow regimes using shadowgraphy, for void fractions above 55%, liquid superficial velocities below 0.8 m/s, and gas superficial velocities between 1 and 11 m/s. Several flow regimes are described from dispersed bubbly flow to annular film flow along the walls. Models for flow regime transitions are also proposed, with par-ticular attention paid to the liquid entrainment limit, as excessive entrainment by the gas can cause severe damage to exchangers in industrial applications. It is shown that the two-phase pressure drop can be predicted with less than 10% error, using a homo-geneous model (partly derived from our numerical simulations) for high flow rates, and Lockhart–Martinelli type correlations adapted for the entire flow rate range.