Simulation numérique de dépôts de particules dans un échangeur par approche Euler – Lagrange

Dans un contexte de transition énergétique, les objectifs nationaux et internationaux contraignent de trouver de nouvelles solutions et de repenser tout le cycle de vie des composants et systèmes énergétiques. Les pistes envisagées actuellement reposent notamment sur l’amélioration de l’efficacité énergétique et les énergies renouvelable et de récupération (EnR&R) via notamment la valorisation de la chaleur fatale, l’énergie solaire thermique, etc. L’optimisation des échanges thermiques dans les récupérateurs de chaleur fatale s’appuie souvent sur le développement de surfaces d’échange à géométries complexes. Cependant l’encrassement reste un problème récurrent et très couteux, à la fois sur le plan économique (maintenance) et énergétique (efficacité à long terme) qui est très peu pris en compte. Ainsi dans les travaux publiés visant à optimiser une géométrie pour intensifier les échanges de chaleur par voie numérique, les phénomènes d’encrassement sont rarement intégrés dans le processus d’optimisation. L’objectif de cette étude est de développer une approche de modélisation numérique visant à analyser les mécanismes locaux de déposition de particules solides en suspension dans un flux gazeux et permettant de mieux appréhender les phénomènes d’encrassement dans des composants thermiques à géométrie complexe en particulier un échangeur munis de tubes ailetés.

Dans la présente étude, le dépôt de particules solides est investigué dans un échangeur à tubes elliptiques et ailettes planes continues par l’approche Euler-Lagrange en mettant en œuvre la méthode des volumes finis. L’écoulement turbulent moyen du flux gazeux chargé en particules est prédit par des simulations URANS (Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes) couplées à un suivi lagrangien des particules (Lagrangian Particle Tracking : LPT). Les interactions particules/turbulence sont prédites à l’aide d’un modèle de dispersion stochastique et l’hypothèse “two way coupling” est utilisée. La déposition des particules est calculée grâce à l’implémentation de modèles issus de la littérature qui prennent en compte la vitesse critique et l’angle de dépôt d’une particule. Les effets de la variation du nombre de Reynolds, du modèle stochastique et de la taille des particules sur la déposition ont été investigués, de même que l’influence de différents paramètres géométriques (espacement inter-ailettes et l’ellipticité des tubes). Enfin, l’effet du dépôt sur le transfert thermique est mis en évidence grâce au développement d’un modèle simplifié 1D. Les premiers résultats obtenus montrent la pertinence de l’approche développée : elle permet d’estimer la distribution locale sur les surfaces d’échange du taux de dépôt lié à chaque paramètre, et in fine l’effet d’une couche d’encrassement sur le nombre de Nusselt local et global dans une configuration géométrique tridimensionnelle complexe d’un échangeur à tubes elliptiques et ailettes planes continues.