case1case2case3case4case5



Deuxième étude

Le but est de comprendre l’évolution de l’injection d’argon dans un écoulement transverse d’acier liquide et notamment l’atomisation du jet de gaz, c’est-à-dire l’expansion et la rupture du jet en bulles.

Le code JadimVof est particulièrement adapté à l'étude d’un tel mécanisme, car il permet de simuler les phénomènes de rupture d'interfaces.

L’injection d’argon s’effectue via un injecteur de 1mm de diamètre et les deux fluides sont injectés simultanément. Lorsque des poches de gaz se détachent de la poche d'argon principale, il se produit une forte zone de recirculation de l'acier liquide. En effet ce phénomène de détachement génère de fortes perturbations de vitesse, et des zones de vorticité importantes. C’est ainsi que ce phénomène d’atomisation peut permettre une homogénéisation de l'acier. Au plus les poches de gaz sont importantes, au plus cet effet agitateur est important.

L’Argon est utilisé pour ce procédé d’homogénéisation de l’acier liquide car c’est un gaz inerte pour ce fluide.

        Dans un premier temps il a fallu définir la géométrie du domaine d’étude. La poche du réacteur est une cuve cylindrique de section circulaire. L’argon est injecté dans la partie inférieure à travers un orifice circulaire de 1 mm de diamètre. La géométrie étant donc clairement axisymétrique et de section rectangulaire, on peut donc simplement assimilé le domaine d’étude à une boite rectangulaire présentant un maillage cartésien pour notre approche numérique.

Les données de la maquette expérimentale mise au point par ArcelorMittal sont les suivantes :

domaine 1

    Le maillage sous JadimVof sera donc réalisé sur une section droite 2D du domaine 3D ci-dessus. Le système maillage décalé du code de calcul implique que l’on génère une maille selon la direction z et est tel que la cellule correspondant à la dernière maille selon y et selon x constitue le point de référence des calculs.

domaine 2

Nous avons alors réalisé pas à pas différents maillages avec des nombres de mailles selon x, y et z (notés nx, ny et nz) et des valeurs du pas d’espace selon x et y (notés dx et dy) différents. Nous avons finalement choisit de travailler avec un maillage régulier très affiné sur une petite partie du domaine proche de la zone d'injection, définie de la manière suivante à partir  du programme generation de l’IMFT :

tableau

Le diamètre de l’injecteur étant de 1mm, l’injection de gaz se fait ici donc bien sur dix mailles et est placée de ny=41 à ny=51 pour respecter les proportions du domaine.

reg


En effet cette géométrie s’est avéré être le meilleur compromis entre contrainte d’espace du domaine et contrainte de temps de calcul. Notre objectif étant en effet de capter les phénomènes d’atomisation du jet par observation de son fractionnement en bulles, il est nécessaire d’avoir un maillage suffisamment fin au niveau de la zone d’injection. Par ailleurs la simulation du domaine tout entier (40mm x 200mm) aurait impliqué des temps de calcul beaucoup trop importants à l’échelle du temps consacré à notre projet de BEI, c’est pourquoi nous avons réduit les dimensions à une zone proche de l’injection (40mm x 40mm).

        Les valeurs des vitesses limites choisies sont celles obtenues expérimentalement par les études d’ArcelorMittal, c’est-à-dire :

tableau2


Dans un premier temps nous décidons de traiter la première situation, U=13m/s et V=0,22m/s car elle est la plus favorable aux contraintes d’espace du domaine de calcul. En effet avec une vitesse d’injection trop élevée, l’abscisse et l’ordonnée maximale de la géométrie risquent d’être rapidement insuffisante pour capter les phénomènes attendus.

    La principale difficulté rencontrée au niveau du paramétrage est dû au choix des paramètres physiques et notamment au choix de la viscosité dynamique des fluides. En effet nous avons dû modifier sa valeur pour dissiper les perturbations numériques qui apparaissaient lorsque l’on utilisait les paramètres physiques de l’air et l’eau, comme le montre les résultats ci-dessus. 

instab
Représentation du taux de présence de gaz (gauche) et de la vitesse selon l'axe x (droite)

        L’écoulement étant uniquement piloté par l’inertie, la flottabilité et la tension de surface, celui-ci ne sera effectivement pas modifié si l’on change les valeurs de la viscosité.
En effet, l’écoulement est uniquement piloté par deux nombres adimensionnels, où la viscosité n’intervient pas :

-        Le nombre de Weber :
                                    WE   

     -    Le nombre de Froude :
                                              Fr 


    L’inertie est l’effet prépondérant puisque dans le cas d’inclusions de gaz dans un liquide la force de masse ajoutée est importante. La flottabilité intervient du fait de la prise en compte de la gravité et a un effet plus faible que celui de la tension de surface.

    Nous avons finalement trouvé de bons résultats pour une viscosité de 1,9.10-4 Pa.s pour le gaz et de 1.10-2 Pa.s pour le liquide.

        D'autre part, il peut y avoir deux phénomènes qui expliquent le fractionnement du jet de gaz dans un écoulement liquide :

-    L’effet de la tension de surface.

Le jet de gaz, au fur et a mesure de son avancement, est déformé. Il se crée des « pincements » de la masse de gaz, au niveau desquels va se produire le détachement de bulles de gaz. La tension de surface fait tendre la bulle de gaz vers une forme sphérique en minimisant l’air interfaciale nécessaire pour délimiter un volume de gaz, donc minimise l’énergie de surface.

-   L’effet de la flottabilité.

Sous l’effet de la gravité, l’air, de densité inférieure au liquide, monte rapidement. Puis par effet d’inertie, le liquide est entraîné par l’air.

Accueil | Contactez-nous | Bibliographie