Etude CFD de l’impact des conditions d’injection pour un stockage thermocline en eau
Un réservoir thermocline stocke de la chaleur sensible. Son fonctionnement est basé sur la coexistence de deux zones : une froide (en bas) et une chaude (en haut). Celles-ci sont maintenues grâce à l’écart de masse volumique du fluide, causé par la différence de température. La zone intermédiaire, celle du gradient thermique, est appelée zone thermocline. Plus la stratification est faible, plus le gradient thermique est étalé, et plus l’énergie valorisable diminue. La zone thermocline est donc directement reliée aux performances du stockage. La littérature s’accorde sur le fait que l’épaisseur de cette zone résulte d’une phase initiale de formation (écoulement turbulent) puis d’une phase de dégradation (écoulement laminaire) causée par la conduction au sein du fluide, des phénomènes de mélanges à l’interface chaud/froid et des pertes thermiques aux parois. La formation de la thermocline est le phénomène prépondérant dans son épaisseur d’où la nécessité d’étudier localement la distribution du fluide.
Les distributeurs (géométrie, position) et les paramètres opératoires (vitesse d’écoulement, ΔT) sont déterminants dans la stratification mais leur interaction n’est pas encore bien comprise. La vitesse d’écoulement est directement reliée à la puissance extractible du stockage. Actuellement, une vitesse limite d’écoulement de 2 mm/s est communément adoptée pour ne pas déstabiliser la thermocline. Les questions du dépassement de cette limite ainsi que sa dépendance à la température se posent. A ce jour, les données disponibles sont incomplètes pour étudier précisément la formation de la thermocline, notamment en raison d’absence d’instrumentation fine à proximité des distributeurs et de gamme d’essais dont l’étendue n’est pas suffisante. Déterminer la limite de non-stratification, couvrir des essais avec une vitesse d’écoulement supérieure à 2mm/s et une gamme de ΔT suffisante, est la motivation du développement de notre nouvelle installation expérimentale.
La CFD est utilisée pour étudier localement la distribution du fluide. Cependant, la turbulence anisotrope imposée par la stratification thermique ainsi que la coexistence d’une zone turbulente avec une zone laminaire au sein du stockage sont des phénomènes complexes à modéliser. Pour obtenir un modèle CFD capable de retranscrire ces phénomènes, l’influence des différentes approximations physiques est dans un premier temps étudiée dans les conditions opératoires issues d’une publication dans laquelle une phase de charge est considérée et le distributeur est un jet impactant. L’eau est injectée à 50.8∘C dans une cuve à 25.9∘C. La vitesse d’écoulement dans la cuve est de 0.76 mm/s. Dans cette configuration, les conditions d’entrée (variables turbulentes, rampe et marche en débit) sont étudiées.