Fusion d’une solution d’urée dans une cavité parallépipédique

Zejun Hu², Arnaud Grados³, Dominique Gobin⁴, Laurent Royon^1
⋆ : laurent.royon@univ-paris-diderot.fr
¹ L.I.E.D université Paris Diderot
² M.S.C. université Paris Diderot & Plastic Omnium
³ M.S.C. université Paris Diderot
⁴ CentralSupelec
Mots clés : Fusion, simulation numérique, convection naturelle
Résumé :

Le système SCR, utilisé pour la réduction d’émissions de NOx par les véhicules diesel, injecte dans le pot catalytique une solution eutectique d’urée (AdBlue®) qui est susceptible de se solidifier lorsque la température extérieure devient inférieure à -11.4^∘C. Pour pallier ce problème de congélation en période hivernale, des éléments chauffants intégrés au réservoir sont mis en fonctionnement pour disposer d’un volume d’AdBlue liquide utilisable dès le démarrage du véhicule.

Ce travail, qui s’inscrit dans le cadre d’une stratégie de conception et d’optimisation de ce système de chauffage, porte sur le développement d’un modèle numérique permettant de prédire l’évolution du volume d’AdBlue liquide utilisable, en fonction du nombre d’éléments chauffants intégrés au système SCR et de leur puissance .

Une partie de ce travail porte sur des expérimentations développées pour étudier la fusion d’AdBlue dans une cavité parallélépipédique soumise à des conditions de flux constant sur les parois. La cinétique de l’interface liquide/solide a été enregistrée grâce à une caméra et les distributions de température dans le matériau à changement de phase ont été mesurées par des thermocouples. Cette campagne d’expériences a permis d’évaluer la cinétique du volume fondu pour différentes conditions aux limites.

En parallèle, une modélisation qui repose sur une formulation enthalpique de la conservation de l’énergie est mise en œuvre pour simuler la fusion en présence de phénomène de convection naturelle. On utilise la méthode des volumes finis sur une maillage structuré, avec l’algorithme SIMPLEC pour la correction de pression, la méthode itérative de Gauss-Seidel pour résoudre les équations linéarisées des champs de température et de vitesse et une méthode itérative du gradient conjugué pour résoudre le champ de pression. Une bonne concordance entre les expériences et les résultats de la simulation est observée pour des conditions de chauffage par les parois latérales. Dans le cas d’un chauffage par le fond du réservoir, le changement de volume provoqué par le changement de phase solide-liquide induit tout au long du processus la formation et le développement d’une masse gazeuse qui se retrouve piégée au niveau de l’interface solide-liquide. Un algorithme spécifique est développé pour tenir compte de cette troisème phase. Les simulations montrent des résultats très comparables à l’expérience, validant ainsi cette approche.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2020-043

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