Orientadores: José Roberto Nunhez, Everton Moraes Matos / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-21T22:56:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fontoura_DienerVolpinRibeiro_D.pdf: 11658919 bytes, checksum: 6a2be1fd48301240f5f4b18c84757db1 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O escoamento de fluidos é, sem dúvida, de grande importância na indústria, especialmente no transporte de fluidos entre as unidades de operação. Sistemas multifásicos são bastante comuns, e em muitos casos, também ocorrem processos de transferência de massa e energia, como é o caso dos fornos de pré-aquecimento na indústria petroquímica. O escoamento gás-líquido nessas linhas é muitas vezes complexos, pois durante a vaporização da carga ocorre também o craqueamento térmico do petróleo. É comum nestas operações a formação de coque no interior do tubo, o que é muito indesejável. Para entender as condições nas quais esta formação de coque é minimizada, ou aumentada, foi proposto um modelo uidodinâmico computacional para simular o escoamento bifásico gás - liquido do petróleo no interior desses tubos. O modelo foi implementado na plataforma OpenFOAM, ao qual foram acrescidas novas rotinas para a estimativa das temperaturas e concentrações através das equações de conservação de massa e energia. O modelo k - epsilon foi utilizado para descrever a turbulência e dois modelos de vaporização foram utilizado para caracterizar a mudança de fase. Uma formulação não conservativa foi adotada na escrita das equações do modelo para maior estabilidade numérica em altas frações volumétricas. Foi também implementada uma rede cinética dependente da temperatura para descrever o craqueamento térmico. Através do modelo foi possível simular o escoamento tridimensional de petróleo no interior de um tubo com as dimensões da planta obtendo como resultado os perfis de velocidades, temperaturas e concentrações das fases líquida e gasosa / Abstract: Fluid flow is of great importance in the industry, especially for its transport between the operating units. Multiphase systems are very frequent. In many cases, mass and energy transfer processes, such as the case of preheating furnaces in petrochemical industry, are also observed. The gas-liquid flow in these lines is often complex, because during the vaporization of the charge it also occurs the petroleum thermal cracking. It is common in these operations the very undesirable formation of coke inside the tube. With the aim of understanding under which conditions the formation of coke is minimized or increased it was proposed a computational fluid dynamic model for simulating the petroleum gas-liquid two-phase flow inside of these tubes. The model was implemented on the OpenFOAM software, to which new routines for the calculation of temperatures and concentrations using the equations of conservation of mass and energy were added. The model k - epsilon was used to describe the turbulence and two vaporization models were used to characterize the phase change. A non-conservative formulation was adopted for describing the equations of the model in order to obtain numerical stability at high volumetric fractions. It was also implemented a temperature dependent kinetic net to describe the thermal cracking. With this model it was possible to simulate the three-dimensional flow of petroleum inside a tube with real industrial dimensions as a result of the gas and liquid phase's profiles of velocities, temperatures and concentrations / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

La compréhension des écoulements biphasiques dans des milieux hétérogènes est déterminante pour un certain nombre de processus industriels. Le plus marquant étant la récupération assistée du pétrole piégé dans des roches poreuses,qui est un moteur pour la recherche dans ce domaine depuis plusieurs décennies.Pourtant, si l’imbibition spontanée de liquides dans un milieu poreux est relativement bien comprises, l’imbibition forcée d’un liquide dans un milieu poreux rempli d’un liquide plus visqueux n’a pas encore été décrite quantitativement. En combinant des expériences de microfluidique et d’imagerie confocale, nous avons étudié la morphologie et la dynamique d’imbibition forcée dans des milieux poreux réguliers. Nous avons mis en évidence la présence de quatre régimes d’imbibition,provenant de dynamiques d’invasion différentes à l’échelle du pore et ayant une signature claire sur les observables macroscopiques. L’étude de la dynamique locale associée à la microscopie confocale, qui donne accès à des informations tridimensionnelles,nous a permis de montrer que les transitions entre ces régimes étaient la conséquence de deux transitions de mouillage et d’une instabilité d’interface.De plus, contrairement à la majorité des études menées jusqu’à présent, nous nous sommes intéressés à l’évolution de ces motifs d’imbibition soumis à une injection continue sur des temps longs devant le temps de percolation. Cela a permis de mettre en évidence le vieillissement de ces motifs qui est le résultat d’un mûrissement d’origine capillaire. / Understanding two-phase flow in heterogeneous media is of great importance for a number of industrial processes. One of the most prominent examples is enhanced oil recovery which has driven fundamental and applied research in this fieldfor decades. However our understanding has remained extremely unbalanced. The case of spontaneous imbibition of a fluid in a porous medium is fairly well understood,whereas quantitative descriptions of forced imbibition in the presence of anunfavorable viscosity ratio is still lacking. Combining large-scale observations and confocal imaging of microfluidic experiments, we studied the morphology and dynamicsof forced imbibition in homogeneous porous media. We identify four classesof three-dimensional patterns resulting from different dynamics at the pore-scale, and having a clear signature on the macroscopic observables. By means of confocalmicroscopy allowing us to visualize three dimensional features of the local dynamics,we show that the transitions between the four imbibition scenarios result from two dynamical wetting transitions and one interfacial instability. In addition,unlike previous studies, we investigate the evolution of those patterns undercontinuous injection over long time scales. We evidence their aging according to acapillary-coarsening process.

Des études internes à Liebherr-Aerospace France, concernant la conception de nouveaux compresseurs lubrifiés par gaz réfrigérant, ont montré que dans des conditions de fonctionnement spécifiques, un mélange de vapeur et de liquide apparaît au sein du compresseur, au lieu d'une phase vapeur seule. De ce fait, le comportement des paliers à feuilles lubrifiés au gaz réfrigérant est étudié, y compris la possibilité d'un écoulement diphasique du lubrifiant. L'étude porte sur le comportement du lubrifiant uniquement, dans des conditions de fonctionnement qui sont celles des paliers à feuilles. L'approche Thermo-Hydrodynamique décrit les caractéristiques du lubrifiant telles que la pression, la densité, la viscosité et la température. Dans ce modèle, une équation de Reynolds généralisée pour écoulement turbulent, une équation d'état non-linéaire pour écoulement diphasique et une équation de l'énergie tridimensionnelle pour film-mince et écoulement turbulent sont utilisées. Les paramètres globaux du palier sont calculés en régime permanent. / Internal experiments at Liebherr-Aerospace FRANCE on new refrigerant-lubricated compressor designs have shown that under specific operating conditions, a mixture of vapor and liquid appears in the compressor, instead of a single-phase vapor flow. Therefore, refrigerant-lubricated foil bearings behavior is studied, including the likelihood of two-phase flow in the lubricant. We focus on the lubricant behavior only, in the operating conditions of foil bearings. The Thermo-Hydrodynamic approach describes lubricant characteristics such as pressure, density, viscosity, and temperature. It involves the use of a generalized Reynolds equation for turbulent flow, a nonlinear cubic equation of state for two-phase flow and a 3D turbulent thin-film energy equation. Journal bearing global parameters are calculated for steady-state conditions.

The present thesis is conducted in the frame of a research project involving the ‘von Karman Institute (VKI Belgium)’ and the ‘Ecole des mines d’Alès (EMA France) with the support of the CEA Gramat. This project is about theoretical study, experimental characterization and modeling of hazards from pressurized or atmospheric reservoirs, containing liquids, flammable or not. <p><p>The objective of this thesis is to study the apparition criteria and the consequences of an accident involving a container of pressure liquefied gas (BLEVE phenomenon) or liquid fuels (Boilover phenomenon). After a bibliographic research on the two phenomena, an experimental study in laboratory scale is conducted and from the results, the phenomena and their hazards are modeled. Small scale experiments are performed in the BABELs facility (Bleve And Boilover ExperimentaL setup) that consists of a cylindrical chamber of 2m diameter and 3m high, with round shape flanges, made out of steel with a rated pressure of 0.5 MPa. It has 3 series of 7 optical accesses, an entrance door, and an optional air venting system. <p><p>A Boilover is a violent ejection of fuel due to the vaporization of a water sublayer, resulting in an enormous fire enlargement and formation of fireball and ground fire. Small scale experiments with cylindrical reservoirs of 0.08 to 0.3m diameter in glass or metal, filled with a mixture of diesel and oil have been performed. Instrumentation of the measurements consists of thermocouples rake, Medtherm radiometers, load cell and CCD or high-speed camera with a fisheye. During the quasi-steady combustion prior the Boilover, the typical variables describing a pool fire like burning rate, flame size, puffing frequency and radiation can be predicted with semi-empirical correlations available in the literature. At Boilover onset, high speed visualizations in glass reservoir show that the growth of one big bubble leads to a boiling front that propagates radially all along the fuel-water interface, ejecting the upper fuel layer and leading to the increase of flame size. LS-PIV technique applied to high-speed camera images shows that the flame enlargement is directly linked to the velocity of the flame.<p><p>A BLEVE (or Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion) is an explosion resulting from the catastrophic failure of a vessel containing a liquid at a temperature significantly above its boiling point at normal atmospheric pressure. Small scale experiments are performed with cylinders of 42g of propane, laid horizontally and heated from below by an electrical resistor. A groove of the reservoirs on the upper part allows better reproducibility of the rupture. High speed visualization and shadowgraphy are helping in visualizing the rupture and the content release. Thermocouples and PCB are also used to measure respectively the temperature and the blast wave overpressure. These experiments show that the fluid behavior during rupture differs with the size of the weakened part and therefore with the rupture pressure. The internal pressure measurement showed that the rupture pressure and temperature are supercritical, leading to the definition of a new type of BLEVE since there is no distinction between liquid and vapor phases prior rupture.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette étude porte sur l'utilisation conjointe (appelée ” couplage ”) de modèle de turbulence à grandes échelles LES (Large Eddy Simulation) et du modèle multiphasique VOF (Volume of Fluid). Cette utilisation conjointe est nécessaire dans de nombreuses applications industrielles comme celles de l'automobile où l'on recherche par exemple à évaluer les prestations diphasiques de l'auvent liées au phénomène d'entraînement et d'ingestion d'une nappe d'eau par le HVAC (système d'air conditionné). Cependant, l'utilisation conjointe de ces méthodes nécessite un traitement particulier de la turbulence proche de la surface liquide afin de reproduire convenablement la quantité de mouvement transmise depuis la phase gazeuse, motrice, jusque dans la phase liquide.<p><p>Basée sur une approche numérique et expérimentale, notre étude est articulée autour de trois axes. Tout d'abord, le développement de techniques de mesures spécifiques pour l'étude expérimentale de notre problématique: le LeDaR pour mesurer les déformées d'une interface et la PIV d'interface afin d'accéder aux champs de vitesse et de turbulence dans chacune des deux phases. Le second axe est la constitution d'une base de données expérimentales sur une configuration de type jet impactant sur une surface liquide représentative des phénomènes rencontrés dans l'auvent. Enfin, le troisième axe de travail est l'évaluation des modèles existants dans le code Ansys Fluent et à partir de cette analyse le développement et la validation de modèles de couplage LES-VOF.<p><p>L'évaluation des modèles développés a permis de valider une stratégie de calcul adaptée aux simulations de l'entraînement d'une surface d'eau par un écoulement d'air turbulent. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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The objective of the present thesis research is to apply state-of-the-art experimental and data analysis techniques to the study of gas-liquid pipe flows, with a focus on conditions occurring in header-feeder systems of nuclear reactors under different accident scenarios. Novel experimental techniques have been proposed for the identification of the flow regime and measurement of the flow rates of both phases in gas-liquid flows. These techniques were automated, non-intrusive and economical, which ensured that their use would be feasible in industrial as well as laboratory settings. Measurements of differential pressure and the gas and liquid flow rates were collected in vertical upwards air-water flow at near-atmospheric pressure. It was demonstrated that the probability density function of the normalized differential pressure was indicative of the flow regime and using non-linear dimensionality reduction (the Elastic Maps Algorithm), it was possible to automate the process of identifying the flow regime from the differential pressure signal. The relationship between the probability density function and the power spectral density of normalized differential pressure with the gas and liquid flow rates in air-water pipe flow was also established and a machine learning algorithm (using Independent Component Analysis and Artificial Neural Networks) was proposed for the estimation of the phase flow rates from these properties. The proposed methods were adapted for use with single and dual conductivity wire-mesh sensors in vertical upwards and downwards air--water flows. A thorough evaluation of the performance and measurement uncertainty of wire-mesh sensors in gas-liquid flows was also performed. Lastly, measurements of the flow distribution in feeder tubes supplied with air-water mixtures by a simplified header model were collected and correlated to the observed flow patterns in the header.

La compréhension des écoulements multiphasiques dans les évaporateurs à mini-canaux est primordiale pour la performance des boucles de climatisation dans le secteur automobile notamment. Cette thèse s’est principalement intéressée à l’écoulement d’entrée de tels évaporateurs ainsi qu’à la répartition des phases dans les mini-canaux. Dans un premier temps, l’écoulement adiabatique diphasique en entrée d’évaporateur a été étudié. Un dispositif expérimental transparent, respectant au mieux la géométrie d’entrée de l’évaporateur, a été réalisé afin de reproduire l’écoulement diphasique d’entrée en eau-air mais en respectant les régimes d’écoulement rencontrés avec du R134a. Plusieurs techniques de caractérisation ont été mises en œuvre (visualisation, conductimétrie, tube de Pitot et prises de pression) afin de quantifier les pertes de pression, les épaisseurs de film et les vitesses du gaz dans un régime principalement annulaire. Suivant le même principe, un autre module en acier-inox a été développé pour caractériser l’écoulement directement en entrée d’évaporateur avec du réfrigérant R134a. Dans un second temps, nous avons étendu l’étude au cas d’un évaporateur compact à mini-canaux. Dans deux situations adiabatiques : monophasique (eau) et diphasique (eau-air), les pertes de pression, la répartition des phases le long de l’évaporateur et le régime d’écoulement dans les mini-canaux ont été étudiés sur un échangeur fabriqué en polycarbonate dont la géométrie s’approche au mieux de celle d’un échangeur réel. Les nombreux résultats ainsi obtenus constituent une base de données conséquente utile à la simulation numérique de ce type d'écoulements diphasiques / Understanding of multiphase flows in mini-channel evaporators is essential for the performance of air-conditioning systems, particularly in automotive sector. This thesis is mainly interested in behavior of inlet flow and phase distribution in the mini-channels. Initially, an adiabatic two-phase flow at the evaporator's inlet was studied. A transparent experimental apparatus with the same geometry as an evaporator's inlet has been designed. This test section helped us to reproduce the same flow regimes with air-water as flow regimes encountered with R134a in an evaporator. Several characterization techniques were used (visualization, conductance probes, Pitot tube and pressure taps) to determine pressure losses, liquid film thickness and gas velocity in a predominantly annular flow regime. Following the same principle, another experimental facility in stainless steel was developed to directly characterize the R134a flow at the evaporator's inlet. Finally, we have extended the study to the case of a compact evaporator in two adiabatic situations: single-phase (water) and two-phase (air-water). Pressure losses, phase distribution along the evaporator and flow regime in mini-channels were studied on an evaporator made of transparent materials (polycarbonate) with a close geometry to that of a real evaporator. Numerous results were obtained to provide a consistent database that would be useful for numerical simulation of this type of two-phase flows

Ce travail de thèse porte sur la modélisation et la simulation numérique de la collision et l'agglomération de particules colloïdales dans un écoulement fluide turbulent par une nouvelle méthode. Ces particules sont sensibles dans une même mesure aux effets brownien et turbulent. La première partie du travail concerne la modélisation du phénomène physique,allant du transport des particules jusqu'à la modélisation des forces d'adhésion physico-chimiques en passant par l'étape cruciale qui est la détection des interactions entre les particules (collisions). Cette détection des collisions est dans un premier temps étudiée par rapport aux algorithmes classiques existants dans la littérature. Bien que très efficaces dans le cadre de particules soumises à l'agitation turbulente, les conclusions de cette partie exposent les limites des méthodes existantes en termes de coûts numériques, pour le traitement d'un ensemble de colloïdes soumis au mouvement brownien. La seconde partie du travail oriente alors les travaux vers une vision novatrice du phénomène physique considéré. Le caractère diffusif aléatoire est alors considéré d'un point de vu stochastique, comme un processus conditionné dans l'espace et dans le temps. Ainsi, une nouvelle méthode de détection et de traitement des collisions de particules soumises exclusivement à un mouvement diffusif est présentée et validée, exposant un gain considérable en termes de coûts numériques. Le potentiel de cette nouvelle approche est validé et ouvre de nombreuses pistes de réflexion dans l'utilisation des méthodes stochastiques appliqués à la représentation de la physique / Ph.D thesis focuses on modeling and numerical simulation of collision and agglomeration of colloidal particles in a turbulent flow by using a new method. These particles are affected by both Brownian and turbulent effects. The first part of the work deals with current models of the physical phenomenon, from the transport of single particles to a model for physico-chemical adhesive forces, and points out the critical step which is the detection of interactions between particles (collisions). This detection is initially studied by applying classical algorithms existing in the literature. Although they are very efficient in the context of particles subject to turbulent agitation, first conclusions show the limitations of these existing methods in terms of numerical costs, considering the treatment of colloids subject to the Brownian motion. The second part of this work proposes a new vision of the physical phenomenon focusing on the random diffusive behaviour. This issue is adressed from a stochastic point of view as a process conditionned in space and time. Thus, a new method for the detection and treatment of collisions is presented and validated, which represents considerable gain in terms of numerical cost. The potential of this new approach is validated and opens new opportunities for the use of stochastic methods applied to the representation of physics

Cette thèse est consacrée à l'étude des propriétés des transports diphasiques au sein des couches de diffusions (Gas Diffusion Layer = GDL) des piles à combustible PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cells). La GDL est faite d'une structure fibreuse (dont l'épaisseur est de quelques centaines de micromètres) traitée généralement avec une matière hydrophobe. Des images numériques de la GDL réelle obtenues par tomographie X sont d'abord analysées afin d'étudier des propriétés telles que la porosité, la perméabilité, ou le tenseur de diffusion. L'écrasement de la GDL est ensuite simulé en utilisant un algorithme comprimant les fibres dans un plan transversal. Les transports diphasiques (invasion quasi statique d'eau liquide) sont modélisés dans des réseaux de pores, milieux représentatifs de l'espace poreux de la GDL, en relation avec le problème de la gestion de l'eau dans les piles PEMFC. Deux algorithmes d'invasion, dénommés algorithmes séquentiel et cinétique, sont développés et comparés pour analyser les distributions de phases au sein des GDL. Un point clé est que l'eau rentre dans la couche poreuse par divers points d'injection indépendants, conduisant à la possibilité de multiples points de percée. Des expériences sur un système microfluidique sont conduites pour valider les algorithmes utilisés. Une étude statistique est menée pour caractériser le nombre de points de percée, les profils de saturation, l'accès au gaz, le transport diffusif, de même que l'influence du piégeage et de la mouillabilité mixte. / This thesis is devoted to the study of transport properties and two-phase flow in the Gas Diffusion Layer (GDL) of Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC). A GDL is a thin fibrous structure (a few hundreds μm thick) treated generally with a hydrophobic agent. Numerical images obtained from X-ray computed tomography X are first exploited to study properties such as the porosity, permeability and diffusion tensors of a real GDL microstructure. The effect of GDL compression is also investigated using an algorithm mimicking the compression in GDL through plane direction. Then two phase flow (quasi-static water invasion) is studied in relation with the water management problem in PEMFC, using a structured pore network representation of the pore space. Two invasion algorithms, referred to as the sequential and the kinetic algorithm respectively, are developed and compared to study the fluid distributions within the GDL. A key point is that water enters the porous layer through multiple independent inlet injection points, leading to the possibility of many breakthrough points. Experiments are conducted on a microfluidic device to validate the algorithms. A numerical statistical study is performed to characterize the breakthrough point statistics, saturation profiles, gas access, diffusion transport as well as the influence of trapping and mixed wettability.