BEI

Présentation des caractéristiques du problème


Pour démarrer notre travail, nous nous sommes appuyé sur les fichiers (maillage et fichier de paramètres) réalisés par l'IMFT. Nous avons donc récupéré ces fichiers, et les avons paramétrés pour les faire fonctionner sur notre ordinateur (génération du maillage à partir du fichier .dat, et édition de lien dans les fichier fortran. Le maillage possède les caractéristiques suivantes :

Notre maillage comporte donc, dans la rampe d'injection de l'oxygène, une ouverture pour l'injection d'hélium gazeux, représentée ci-dessous par une couleur bleue:

Maillage 2D avec l'injection d'Helium

Les paramètres sont les suivants :

L'objectif est d'atteindre le régime mêlant injection d'oxygène liquide et d'hélium gazeux.





Simulations_effectuées


Simulation 2D avec injection pariétale d'helium

Cette simulation à permis de vérifier que le calcul se dérouler conformément aux attentes sur les machines de l'école. Neptune_CFD a effectué 15000 itérations, pour un temps physique simulé de 0,3 secondes. L'injection pariétale d'hélium ayant lieu à partir de 0,23 secondes physiques, cela nous a permis d'observer en partie le comportement du système. La simulation s'est écoulée pendant un temps CPU de 66 minutes.

Simulation 2D avec injection pariétale d'hélium et fichier thermique modifié

A partir de ces premières données, nous avons décidé de reconsidérer le modèle thermique, comme il l'a été expliqué précédemment. Nous avons donc implémenté le nouveau modèle sous le code fortran, et nous l'avons fait tourner sur la même simulation (liquide et gaz incompressibles). Le calcul s'est révélé beaucoup plus compliqué, commençant à cycler au delà de 0.23 secondes de temps physique simulé (lors de l'injection d'oxygène). Nous avons donc arrêté nous même le calcul après 7800 itérations, soit 0.243 secondes physiques, et pour un temps CPU de 70 heures.

On peut, sur cette simulation repérer l'écoulement d'oxygène se déclenchant à 0,23 secondes. Cependant, plusieurs erreurs ont été repérées dans les fichiers de calcul : par exemple, pour certaines itérations, la valeur de la température de l'oxygène liquide oscille entre 90 et 2200 Kelvin, ce qui est tout bonnement impossible. Nous nous sommes aussi penché sur la raison des boucles dans le calcul. Pour cela nous avons d'abord réduit les valeurs des critères de Fourier :en effet, ceux-là étant définit pour les lits fluidisés, et n'ayant jamais été revus, ils n'étaient pas représentatifs du système étudié.



Critères numériques de Fourier

Troisième série de calculs avec Critères de Fourier modifiés

Les boucles continuent d'apparaître dans chacune des simulations : cependant, dans la première, les températures restent dans des gammes réelles (liquide entre 95 et 98 Kelvin). La vitesse de la simulation diminue fortement lorsqu'elle atteint le point d'injection de l'oxygène liquide. La deuxième simulation itère beaucoup plus rapidement. Les données relatives à la simulation sont les suivantes :

Simulation avec oxygène gazeux

Simulation avec hélium gazeux

On peut tout d'abord noter que le temps mis pour atteindre le temps de 0,23 secondes est sensiblement le même dans les deux simulations. Le temps de calcul augmente alors énormément à partir de l'injection d'oxygène liquide, ainsi que le nombre de boucles internes, ce qui montre que le modèle implémenté est certainement faux.Cependant, les températures restent elles aussi dans des gammes réelles (entre 90 et 260 Kelvin pour le liquide et entre 220 et 350 Kelvin pour le gaz).

Mais après une étude plus poussée du fichier ustsht.F, nous avons découvert plusieurs erreurs de programmation dans le modèle que nous avons implanté, ce qui ne laisse aucun doute sur le fait que ces résultats ne sont pas exploitables.

Simulation 2D avec injection pariétale d'hélium lancée à l'IMFT

Nous avons donc effectué les nouvelles modifications dans le fichier ustsht.F (transfert thermique) pour relancer une dernière simulation. Par manque de temps, nous l'avons envoyé à l'IMFT pour la faire tourner sur 8 processeurs, pendant une durée de 144 heures CPU, soit 0,231 secondes physiques simulées et 25800 itérations. Le calcul n'a pas convergé, s'est interrompu après une erreur mathématique, et certaines températures ont divergé jusqu'à 1016 Kelvin. Cependant, même si le modèle thermique implémenté ne peut être validé, on peut analyser quelques un des résultats obtenus. En particulier, on observe bien l'injection d'hélium, ainsi que le transfert de matière positif en sortie d'injecteur, tel que l'on peut s'y attendre, grâce à l'injection pariétale d'hélium, sur les deux images ci-dessous, ainsi que l'état de l'injection d'oxygène liquide au moment de l'arrêt du calcul :


Injection pariétale d'hélium, t = 0,137s
Injection pariétale d'hélium à t = 0,137s



Transfert de matière positif, t = 0,230 s
Vitesse de la phase gazeuse (hélium) dans les injecteurs à t = 0,230 s



Arrêt du calcul lors de l'injection d'Oxygène liquide, t = 0,231 s
Vitesse de la phase liquide (oxygène) à t = 0,231 s (arrêt du calcul)

Enfin à l'arrêt du calcul, on observe une forte divergence de la température, certainement du à une erreur numérique lors de l'exécution du calcul, comme présenté sur l'image ci-dessous :


Erreur de température sur trois cellules, t = 0,233s
Température de la phase liquide à t = 0,233s

Il est intéressant de remarquer que cette image présente une anomalie dans la température de la phase liquide, à un endroit ou il n'est pas sensé y avoir de liquide. Il s'agit donc bel et bien d'une erreur numérique et non physique, provenant peut-être des conditions aux limites.

En observant le gradient de vitesse au point d'injection de l'oxygène, on peut remarquer que la vitesse de la phase liquide (flèches jaunes) est très faible au niveau de l'injection (pas de recirculation), ce qui peut éventuellement expliquer une mauvaise homogénéisation de la température sur ces quatre cellules.


Recirculation de la phase liquide, t = 0,233s
Gradient de vitesse de la phase liquide (flèches) par rapport à la température (fond) à t = 0,233s

Nous n'avons pas eu le temps d'effectuer davantage de simulation, ni de repérer les erreurs dans notre fichier de transfert thermique. Cependant, plusieurs paramètres peuvent encore jouer ce résultat : le temps caractéristique τ a été fixé arbitrairement à 1 seconde, il pourrait être baissé à une valeur plus proche de celle du pas de temps. Les "clipping" effectués peuvent aussi être la cause de cette divergence : actuellement, lorsqu'une température sort du champ autorisé, elle est automatiquement remise à la température la plus proche autorisée, de manière assez brutale. Peut-être qu'en adoucissant cette opération, on peux alléger les contraintes numériques. Enfin, en reconsidérant les autres propositons émises par l'IMFT (taille des gouttes,...), on peut trouver des solutions à ces problèmes.