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La région Occitanie soutient plusieurs projets du laboratoire


30 sept. 2020

Proposition de stage: Simulations gaz liquide multi échelles des écoulements dans les centrales solaires à concentration reposant sur la génération directe de vapeur


Proposition de stage

Simulations gaz-liquide multi-échelles des écoulements dans les centrales solaires à concentration reposant sur la génération directe de vapeur

Niveau : Formation BAC+5 (Master ou Ingénieur) Démarrage : à partir de Février/Mars 2021

Introduction : Dans le contexte énergétique actuel, le développement et l’optimisation des procédés de conversion des énergies renouvelables suscite de plus en plus d’engouement. Les technologies solaires concentrés (CSP) s’inscrivent dans ces procédés propres de génération d’énergie. Cette technique consiste à concentrer les rayons du soleil à l’aide de miroir (héliostats) sur un récepteur, pour générer une élévation de température. La chaleur est transférée vers un échangeur de chaleur où de la vapeur est produite pour entraîner une turbine et générer de l’électricité. Une des technologies se développant actuellement consiste à générer directement de la vapeur (GDV) dans le récepteur. Ceci permet de ne plus utiliser de fluide caloporteur (HTF, souvent onéreux), de réduire le nombre d’échangeurs de chaleur et de ne plus utiliser de matériaux «polluants» pour le stockage de la chaleur. La centrale eLLO opérée par SUNCNIM en Cerdagne repose sur cette technologie (voir Fig.1).

Capture d’écran 2020-09-30 à 10.03.45

Figure 1 – Centrale eLLO opérée par SUNCNIM. Gauche : photo du montage du champ solaire (Linéaire Fresnel) couvrant une surface de 153000m2. Droite : photo d’une ligne réceptrice.

Dans le récepteur, les transferts thermiques convectifs fluide/paroi entraînent l’évaporation du liquide et la création d’un écoulement diphasique dont la fraction volumique varie grandement en fonction de la position dans le tube récepteur. Ce stage s’inscrit dans le cadre d’une nouvelle thématique au laboratoire PROMES ayant pour objectif la prédictions des régimes d’écoule- ment diphasique dans les récepteurs. Celle-ci est d’une importance capitale pour deux raisons : (i) prévoir la quantité de vapeur produite et donc la production de la centrale, (ii) prédire les contraintes thermo-mécaniques imposées aux matériaux du tube.

Objectifs : Le stagiaire utilisera le logiciel de simulations NEPTUNE_CFD pour modéliser les écoulements dans les centrales GDV. Ce code numérique, utilisant la méthode des volumes finis, est une extension à n phases du modèle à deux fluides initialement développé pour les écou- lements dispersés. Des travaux récents ont introduit de nouveaux modèles dans cet outil pour 

modéliser les écoulements gaz-liquides complexes (stratifiés, poches-bouchons, ...). Un stage an- térieur (H. Vernier 2020) a montré que le régime d’écoulement dépend fortement de la méthode de couplage thermique fluide-paroi. Ainsi, il est indispensable de résoudre la conduction de la chaleur dans les parois du tube. Ceci sera effectué à l’aide du logiciel Syrthes, développé par EdF, qui peut être couplé directement au solveur fluide.

Du fait de l’émergence récente de ce type de centrale, les données expérimentales d’exploitation - indispensables à la validation de l’outil numérique - sont actuellement indisponibles dans la littérature. Les simulations numériques seront donc validées par confrontation à une étude ex- périmentale, reprenant tous les ingrédients physiques de notre écoulement, d’ébullition de fréon dans un tube horizontal. En parallèle de cette étude numérique le stagiaire devra également di- mensionner un banc expérimental, se rapprochant de l’application visée. Sur ce volet le travail du stagiaire se limitera au dimensionnement de l’installation qui permettra à termes l’étude expérimentale de l’écoulement.

Programme de recherche :

Identification et analyse des mécanismes physiques mis en jeu à travers une étude biblio- graphique.
Validation du couplage Syrthes / NEPTUNE_CFD par confrontation aux données éxpé- rimentale d’ébullition horizontale de fréon.
Réalisation de simulations utilisant la démarche précedemment mise en place sur une configuration représentative d’un récepteur GDV.
Dimensionnement d’un banc expérimental permettant l’étude des écoulements dipha- siques dans les récepteurs solaires.

Références :
Vidéo de présentation de la centrale eLLo : https://youtu.be/7sK976rua7o
Vidéo présentant l’outil de simulations : https://youtu.be/CEPpxjjrJlE
Dinsemeyer R., 2015. Étude des écoulements avec changement de phase : application à l’évapo- ration directe dans les centrales solaires à concentration. Univ. Grenoble – PhD thesis W
Mer, S., Praud, O., Neau, H., Merigoux, N., Magnaudet, J., Roig, V., 2018. The emptying of a bottle as a test case for assessing interfacial momentum exchange models for Euler-Euler simulations of multi-scale gas-liquid flows. Int. J. Multiph. Flow 106. W
Yang, Z., Peng, X.F., Ye, P., 2008. Numerical and experimental investigation of two phase flow during boiling in a coiled tube. Int. J. Heat Mass Transf. 51.

Profil du candidat : Niveau BAC+5 (Master ou Ingénieur). Le candidat devra avoir une solide formation en mécanique des fluides et/ou en énergétique. Un attrait pour l’informatique et la modélisation est nécessaire compte tenu du caractère numérique de l’étude. Une habileté avec linux et un langage de programmation (C/C++, Python) sera appréciée.

Lieu de stage : Laboratoire PROMES – Site de Perpignan. Rémunération : Gratification forfaitaire en vigueur (≈ 570 euros/mois)

Candidature : Les lettres de candidature devront être accompagnées d’un CV et adressées à Samuel Mer : , Adrien Toutant :