Ebullition avec de l'oxygène liquide

Cette étape consiste en l'implémentation dans les sources du code de tables ou de corrélation pour les grandeurs physiques de l'oxygène liquide. Les tables CATHARE ne seront désormais plus utilisées (désactivées dans l'interface Edamox).

Les tranferts inter-phases d'énergie, de masse et de quantité de mouvement ne sont pas modifiés. Il s'agit de coder des lois d'évolution des grandeurs physiques dans la routine usphyv.F. C'est le tableau PROHY(NCELET,NPROP) qui doit être modifié.

Description du tableau PROHY(NCELET,NPROP)

Le tableau PROPHY contient les données physiques des deux phases. Il est structuré comme cela :

Description du tableau PROPHY
Entr​ée Signification
PROPHY(IEL,ITEMPK(IPHAS)) Température de la phase $i$
PROPHY(IEL,ICP(IPHAS)) Capacité calorifique de la phase $i$
PROPHY(IEL,IHSAT(IPHAS)) Enthalpie de saturation de la phase $i$
PROPHY(IEL,ITSAT) Température de saturation
PROPHY(IEL,IHLAT) Chaleur latente
PROPHY(IEL,ITHSIG)) Tension de surface à saturation
N/A viscosité, diffusivité de la chaleur

Ajout des propriétés dans le code

Nous avons implémenté un modèle de Boussinesq pour la phase liquide. Les $Cp$ sont supposés constants, et nous avons fixé l'enthalpie et la température à saturation.

Partie du code source du fichier Fortran 77 usphyv.F pour l'Oxygène liquide où PROPHY est une table de propriétés physiques, IEL est le numéro de la cellule :


C        Enthalpie de saturation
    hlsat = 178438.8
    hvsat = 102577.419
    Tsat = hlsat / Cp1
    PROPHY(IEL,IHSAT(1)) = hlsat
    PROPHY(IEL,IHSAT(2)) = hvsat
    PROPHY(IEL,ITSAT) = Tsat
C        Chaleur latente
    PROPHY(IEL,IHLAT) = abs(hlsat - hvsat)
C        Tension de surface
    PROPHY(IEL,ITHSIG) = 11.0d-3

Premiers résutats

Nous avons pour l’instant choisi de ne pas implémenter de loi d’évolution des grandeurs, mais de les laisser constantes pour les premières simulations. Seule la densité est variable avec un modèle de Boussinesq. Les conditions initiales sont les mêmes qu’au cas précédent, à savoir du LOx dans la cavité et de la vapeur à la sortie. Nous conservons le modèle à 4 flux car le modèle Kurul & Podowski de base échoue. En revanche, nous avons diminué le diamètre de détachement des bulles, en le passant de 1mm à 0,4mm. Ce diamètre correspond aux observations effectuées par le groupe chargé de la modélisation. Nous chauffons la cellule sans refroidir les parois adjacentes. Nous observons donc les évolutions des taux de vide pour différentes gravités. Au delà d'un certain temps néanmoins, les calculs divergent. 

 

Dans le dernier cas, en gravité zéro, les bulles ne montent plus mais coalescent pour former une grande bulle accrochée à la paroi :

De manière générale, les bulles sont peu refroidies après détachement et ne se recondensent pas.

Analyse numérique

Ces simulations nous ont donné accès à un certain nombre de paramètres : les différents flux du modèle 4-flux de NEPTUNE_CFD, la température de paroi Tw, les températures, les densités, les fractions volumiques ...

En ce qui concerne les flux, le flux total se stabilise rapidement avec le temps vers le flux imposé dans NEPTUNE. Ce qui est étonnant en revanche, c'est le faible flux de convection liquide qui représente 10% du flux total, et le faible flux d'évaporation (inférieur à 5%). La grande majorité (+80%) du flux total est contenu dans le flux de Quenching.

Évolution de la température de paroi en fonction de la gravité
Gravité (m/s²) Température de paroi Tw (K)
9,81 122.6
4,905 123.5
0,981 124.5
0 186

Comme dit précédemment, en 0g, toutes les bulles coalescent la cellule chauffe uniquement la vapeur, et la température de paroi croit fortement.

Ci-dessous, les profils verticaux de taux de vide sont représentés à différentes gravités. Plus la gravité diminue, plus la fraction de gaz en paroi est forte. En gravité 0,5g, des paquets de bulles se détachent et remontent périodiquement.

interface