Modélisation dynamique des structures d’interface via l’équation de transport de l’interface

Dynamic modeling of interfacial structures via interfacial area transport equation 

Abstract

The interfacial area transport equation dynamically models the two-phase flow regime transitions and predicts continuous change of the interfacial area concentration along the flow field. Hence, when employed in the numerical thermal-hydraulic system analysis codes, it eliminates artificial bifurcations stemming from the use of the static flow regime transition criteria. Accounting for the substantial differences in the transport phenomena of various sizes of bubbles, the two-group interfacial area transport equations have been developed. The group 1 equation describes the transport of small-dispersed bubbles that are either distorted or spherical in shapes, and the group 2 equation describes the transport of large cap, slug or churn-turbulent bubbles. The source and sink terms in the right-hand-side of the transport equations have been established by mechanistically modeling the creation and destruction of bubbles due to major bubble interaction mechanisms. In the present paper, the interfacial area transport equations currently available are reviewed to address the feasibility and reliability of the model along with extensive experimental results. These include the data from adiabatic upward air-water two-phase flow in round tubes of various sizes, from a rectangular duct, and from adiabatic co-current downward air-water two-phase flow in round pipes of two sizes.

Résumé

Dans les codes courants de thermo-hydraulique à deux fluides, les corrélations empiriques basées sur les régimes d'écoulement diphasiques et les critères de transition de régime, sont utilisés comme relations de fermeture pour les termes de transfert interfacial. Cependant, vu leurs imperfections inhérentes, de telles corrélations statiques sont imprécises et présentent de sérieux problèmes dans l'analyse numérique. C’est pourquoi, une nouvelle approche dynamique utilisant l'équation de transport de surface interfaciale a été étudiée. L'équation de transport de surface interfaciale modélise dynamiquement les transitions de régime de l'écoulement diphasique et prédit le changement continu de la concentration de surface interfaciale le long de l'écoulement. Par conséquent, une fois utilisée dans les codes thermo-hydrauliques, elle élimine les bifurcations artificielles provenant de l'utilisation de critères de transition entre régimes statiques.

Par conséquent, l'équation de transport de la surface interfaciale peut apporter un bond en avant des possibilités courantes du modèle à deux-fluides, tant du point de vue scientifique que pratique. Compte tenu des différences substantielles dans les phénomènes de transport entre les diverses tailles de bulles, des équations de transport de surface interfaciale à deux-groupes ont été développées. L'équation du groupe 1 décrit le transport des petites bulles dispersées de formes sphériques ou distordues, et l'équation du groupe 2 décrit le transport des grandes bulles de formes capsule, lingot ou baratte turbulente. Les termes source et puits du second membre des équations de transport ont été établies en modélisant les mécanismes de création et de destruction des bulles dûs aux principales 'interactions entre bulles. Les mécanismes de coalescence incluent la collision aléatoire induite par la turbulence et l'entraînement des bulles dans le sillage de la bulle précédente. Les mécanismes de désintégration incluent la fragmentation par impact turbulent, le cisaillement au bord des grosses bulles capsules et leur fragmentation due à l'instabilité de surface. Dans cet article, les équations de transport de la surface interfaciale actuellement disponibles sont passées en revue pour tester la faisabilité et la fiabilité du modèle. Les résultats de vastes expériences de benchmark pour l'évaluation du modèle sont également présentés. Ceux-ci incluent les données d’un écoulement diphasique air-eau adiabatique ascendant dans des tubes cylindriques de tailles diverses, d'un conduit rectangulaire, et d’un écoulement co-courant diphasique air-eau adiabatique descendant dans des tuyaux cylindriques de deux tailles différentes. En outre, quelques directives pour l’étude future de l'équation de transport de surface interfaciale sont discutées.