Modeling of pseudo-turbulence and fluid turbulence modulation of liquid-solid fluidized bed under k − ε framework

Modélisation de la pseudo-turbulence et de la modulation de la turbulence fluide d'un écoulement liquide-solide dans le cadre k − ε Le lit fluidisé liquide-solide est utilisé comme composant dans de nombreux processus industriels, allant des réactions chimiques et biochimiques aux processus catalytiques. Pour améliorer notre compréhension de la dynamique des fluides dans les lits fluidisés, la modélisation numérique multiphase est devenue un outil puissant pour étudier le comportement des particules dans ces systèmes. Un aspect crucial de telles études réside dans la prise en compte de la grande taille des particules et du rapport de densité modéré entre les particules et le liquide, ce qui entraîne la production efficace de fluctuations de vitesse du liquide, appelées pseudo-turbulences, dans les sillages de particules. Dans le cadre du projet ANR-MUSCATS ANR-19-CE05-0010-02, cette thèse de doctorat vise à explorer les effets des pseudo-turbulences dans les réacteurs à lit fluidisé liquide-solide. Notre étude propose un nouveau modèle de couplage bidirectionnel basé sur une séparation de la vitesse de fluide fluctuante instantanée locale en deux composantes, l'une représentant la turbulence "réelle" produite par le cisaillement de la vitesse moyenne et l'autre représentant les pseudo-turbulences dues à la production de sillage. Ce modèle est conçu pour étudier un lit fluidisé 3D à l'aide d'un cadre Euler-Euler intégré dans le code neptune_cfd, avec des résultats comparés aux données expérimentales. Plusieurs approches de modélisation sont proposées et testées sur la configuration d'un lit fluidisé liquide-solide. Initialement, le premier modèle testé, appelé modèle standard et extrait de la littérature existante pour les lits fluidisés gaz-solide, a été construit sans tenir compte de l'impact des pseudo-turbulences. Par la suite, nous avons introduit les pseudo-turbulences en incorporant un terme source dans l'équation de l'énergie cinétique turbulente spécifiquement à l'échelle induite par le cisaillement. Cette modification a été apportée pour tenir compte des deux contributions à la turbulence. Après avoir mis en œuvre cette modification, nous avons soumis le modèle à des tests supplémentaires pour évaluer ses performances et sa précision. Cependant, ces deux approches ont échoué à simuler précisément le système, car elles n'ont pas pu prendre en compte la non-homogénéité, contrairement à ce qui a été avancé par Alméras et al., 2019 ; Fox, 2021, suggérant que les lits fluidisés liquide-solide présentent un écoulement homogène. Par conséquent, une autre approche a été développée. Ce nouveau modèle comprend des équations séparées pour estimer l'énergie cinétique turbulente et le taux de dissipation turbulente, tenant compte de la séparation des échelles de turbulence, y compris les échelles induites par le cisaillement et les pseudo-turbulences. Ce modèle révisé a démontré une meilleure cohérence avec les résultats expérimentaux, capturant plus précisément le comportement de la turbulence dans et au-dessus du lit. En plus d'étudier les lits fluidisés liquide-solide, cette étude explore également les lits fluidisés gaz-solide et les injections de particules turbulentes axysymétriques pour évaluer l'efficacité des modèles dans différents scénarios. Dans le cas des lits fluidisés gaz-solide, notre modèle de pseudo-turbulence reproduit les prédictions du modèle standard. Nos résultats suggèrent que les pseudo-turbulences, auparavant ignorées dans les lits fluidisés gaz-solide, sont en effet significatives, comme le montrent les résultats numériques. De manière similaire aux observations dans les lits fluidisés liquide-solide, l'inclusion de modèles de pseudo-turbulence réduit les fluctuations spatiales et temporelles de la vitesse du fluide dans ce scénario, conduisant à un écoulement plus uniforme.