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Analyse et modélisation de la turbulence dans les écoulements de gaz denses

ANR JCJC EDGES (2018-2022)

Analyse et modélisation de la turbulence dans les écoulements de gaz denses

Les gaz denses sont caractérisés par des propriétés thermodynamiques très spécifiques lorsque les conditions de pression, masse volumique et température sont proches du point critique. Les gaz denses présentent aussi une grande complexité moléculaire associée à une masse molaire et une capacité thermique importante. Un gaz est dit dense lorsque sa dérivée fondamentale, définie comme

$\Gamma=1+\displaystyle\frac{\rho}{c}\displaystyle\frac{\partial c}{\partial\rho}\, ,$

devient inférieure à l’unité sous l’effet de cette complexité chimique. Une conséquence majeure sur la dynamique des écoulements compressibles est la réduction significative de l’intensité des ondes de choc et des pertes associées.
Ce dernier point explique pourquoi les gaz denses apparaissent de plus en plus attractifs pour un usage dans le cadre de cycles organiques de Rankine (ORC) qui visent à produire de l’électricité à partir de chaleur (industrielle, géothermique ou solaire). Les écoulements de gaz denses dans les turbines ORC sont très largement turbulents : la question se pose donc de leur modélisation turbulente. Jusqu’à présent aucun modèle dédié n’a été proposé, que ce soit pour les méthodes statistiques RANS (approche stationnaire) ou LES (approche instationnaire).
Le projet de recherche ANR JCJC EDGES vise à analyser le comportement compressible de la turbulence dans les gaz denses et d’appliquer ces connaissances à la modélisation des écoulements dans les turbines ORC. Dans un premier temps, la simulation numérique directe (DNS) est utilisée pour construire une base de données d’écoulements turbulents de gaz denses, comme illustré sur la figure, qui montre des ``shocklets’’ dans une DNS de turbulence homogène isotrope de gaz dense (algorithme de Samtaney et al., 2001 ; les isosurfaces $\Delta\rho=0$ sont colorées par la fluctuation de la divergence du champ de vitesse). La précision des modèles actuels pour la simulation aux grandes échelles (LES) et l’approche statistique moyenne (RANS) sera évaluée. Cela permettra le développement de nouveaux modèles de turbulence dédiés aux gaz denses. Ces modèles seront enfin validés par une approche a-posteriori grâce à la simulation d’une configuration réaliste de turbine ORC.

Personnel impliqué : Alexis Giauque (porteur de l’ANR, équipe turbomachine), Christophe Corre ;
Thésard : Aurélien Vadrot
Financement associé : ANR JCJC EDGES (2018)


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