Paramètres de simulation

 Données d'entrées

Les données nécessaires pour les simulations sont les conditions de température T et de pression P. Comme indiqué précédemment, la valeur de température est considérée constante. La valeur de pression de référence est la pression atmosphérique.

En ce qui concerne le solide, il faut préciser la masse volumique de grain  (kg/m3), le diamètre des particules dp (m) ainsi que le flux de solide à l'entrée du réacteur (kg/s). On préfère imposer un flux de solide dans l’injection plutôt qu'en sortie du réacteur (ce qui est fait expérimentalement), afin de ne pas perturber numériquement le système.

En ce qui concerne la phase gazeuse, on précise les flux massiques d’O2, CO2, H2O et N2 dans les deux entrées en gaz, le flux massique dans chaque entrée. Il faut également préciser la masse volumique initiale, la viscosité dynamique du mélange gazeux. Pour suivre l’évolution des fractions massiques dans le temps au sein du réacteur, on utilise dans les simulations 3 scalaires passifs (le dernier se déduisant des autres). Il faut initialiser leur valeur dans tout le réacteur (par un mélange des deux entrées) et préciser les valeurs des coefficients de diffusion de chaque constituant dans le gaz majoritaire (ici l’azote).

Enfin pour permettre aux calculs de se faire plus rapidement, on remplit initialement le lit de façon homogène avec une masse en particules et une composition en gaz proches de ce qui est attendu.


 

Conditions aux limites

Quand le réacteur a été présenté, les conditions aux limites ont été abordées. Il y en a quatre:

·         les parois

·         l’entrée de fluidisation

·         l’entrée d’injection

·         la sortie

Chacune d’entre elles présentent des spécifications par rapport au flux imposé, et à la vitesse associée, et aux valeurs des scalaires. Ces spécifications diffèrent toutes (sauf la norme du vecteur vitesse, qui est relatif au maillage) selon le cas simulé.


 

Modèles utilisés

Pour modéliser la turbulence de la phase gazeuse on utilise le modèle k-eet le modèle d’énergie d’agitation particulaire q2-q12 pour la phase solide. Ces modèles sont ceux utilisés couramment pour décrire un lit fluidisé. On considère un couplage inverse turbulent.

 

On considère  pour les interactions particules-particules, les modèles standards pour un lit fluidisé : la partie granulaire selon une méthode de flux, la partie cinétique selon une méthode de  collisions décorrélées.  Pour les forces inter-phases, on ne modélise que la force de trainée selon le modèle de Wen&Yu - Ergun.

 

Méthode d'estimation des paramètres

L'interface qui permet de gérer les prétraitements du code est "Edamox" où on doit spécifier les propriétés physiques des phases et les méthodes numériques de calcul.

 

L’estimation de la densité se fait à partir de la loi des gaz parfaits, qui prend en compte l’effet de la composition du gaz et de la température.

L’estimation de la viscosité dynamique du mélange gazeux à la température souhaitée se fait par une moyenne pondérée par les fractions massiques des viscosités dynamiques des corps purs. L’influence de la température est prise en compte par la loi de Sutherland ci-dessous:

La valeur du paramètre S prise est celle de l’air, parce que c’est le gaz majoritaire (S=110,4 K).

L'estimation des coefficients de diffusion (kg/m.s) est faite moyennant selon la composition des valeurs obtenues par la théorie de Chapman-Enskog (la relation est donnée ci-dessous) qui permet de calculer le coefficient de diffusion en (cm2/s) et à la température souhaitée. Il faut ensuite multiplier la valeur obtenue par la densité de mélange pour que les unités correspondent à celles du logiciel.

 

On utilise également un fichier Fortran utilisateur pour le calcul de la densité dans chaque cellule en fonction de la composition.


 

Simulation en pratique

Les calculs sont lancés sur 16 cœurs, et sont reconduits si le régime permanent n’est pas atteint. Cette vérification se fait par la visualisation de la masse d’ilménite dans le lit et du flux de sortie d’ilménite. Ces deux variables doivent oscillées légèrement quand le régime permanent est atteint.

Il a fallu environ entre 100 000 et 200 000 itérations pour que les simulations atteignent le régime permanent, tous cas confondus. Cela correspond à environ 20 secondes de temps physique.