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Theses Year : 2006

A phase field model for the study of boiling flows

Modèle de champ de phase pour l'étude de l'ébullition

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Pierre Ruyer

Abstract

This study concerns both the modelling and the numerical simulation of boiling flows. First we propose a review concerning nucleate boiling at high wall heat flux and focus more particularly on the current understanding of the boiling crisis. From this analysis we deduce a motivation for the numerical simulation of bubble growth dynamics. The main and remaining part of this study is then devoted to the development and analyze of a phase field model for the liquid-vapour flows with phase change. We propose a thermodynamic quasi-compressible formulation whose properties match the one required fot the numerical study envizaged. The system of governing equations is a thermodynamically consistent regularization of the sharp interface model that is the advantage of the diffuse interface models. We show that the thickness of the interface transition layer can be defined independently from the thermodynamic description of the bulk phases, a property that is numerically attractive. We derive the kinetic relation that allows to analyze the consequences of the phase field formulation on the model of the dissipative mechanisms. Finally we study the numerical resolution of the model with the help of simulations of phase transition in simple configurations as well as of isothermal bubble dynamics.
Dans cette étude nous considérons l'ébullition en paroi sous les angles de la modélisation et de la simulation numérique. Dans un premier temps nous proposons une revue bibliographique au sujet du régime d'ébullition nucléée à fort ux de chaleur pariétal et analysons plus particulièrement la compréhension du phénomène de crise d'ébullition de type caléfaction. Nous en déduisons une motivation pour l'étude de la dynamique de croissance de bulle au moyen de la simulation numérique. L'essentiel du travail concerne alors le développement d'un modèle de type champ de phase pour l'étude des écoulements liquide-vapeur avec changement de phase. Nous proposons une fermeture thermodynamique quasi-compressible dont les propriétés sont adaptées aux simulations envisagées. Le système d'équations du mouvement qui s'en déduit constitue une régularisation thermodynamiquement cohérente de la description discontinue du système diphasique, ce qui est l'avantage des modèles à interfaces diffuses. Nous démontrons que la formulation retenue permet de définir l'épaisseur de la zone régularisée indépendamment de la description thermodynamique des phases, ce qui est intéressant numériquement. Nous établissons la relation cinétique et analysons ainsi la modélisation champ de phase des mécanismes dissipatifs. Finalement nous étudions la résolution numérique du modèle à l'aide de simulations de transition de phase en configuration simple et de dynamique de bulle en isotherme.
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Dates and versions

pastel-00002308 , version 1 (29-07-2010)

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  • HAL Id : pastel-00002308 , version 1

Cite

Pierre Ruyer. Modèle de champ de phase pour l'étude de l'ébullition. Sciences de l'ingénieur [physics]. Ecole Polytechnique X, 2006. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00002308⟩
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