Moments hydrodynamiques s’exerçant sur un cylindre en rotation

Réf. R0441S - CL_JL_PIERSON 21/11

Stage - Mathématiques Appliquées

Localisation : Rhône

Début : entre février et avril 2017
Durée : 5 mois
Indem. : Oui

IFP Energies nouvelles - Lyon

IFP Energies nouvelles est un organisme public de recherche, d’innovation industrielle et de formation intervenant dans les domaines de l’énergie, du transport et de l’environnement. Sa mission est d'apporter aux acteurs publics et à l'industrie des technologies performantes, économiques, propres et durables pour relever les trois grands défis sociétaux du 21e siècle : changement climatique et impacts environnementaux, diversification énergétique et gestion des ressources en eau. Son expertise est internationalement reconnue.

IFP Energies nouvelles poursuit 5 priorités stratégiques, indissociables et complémentaires dans l'accomplissement de sa mission d’intérêt général :

  • Produire à partir de sources renouvelables des carburants, des intermédiaires chimiques et de l'énergie
  • Produire de l’énergie en réduisant l’impact sur l’environnement
  • Développer des transports économes et à faible impact environnemental
  • Produire à partir de ressources fossiles des carburants et intermédiaires chimiques à faible impact environnemental
  • Proposer des technologies respectueuses de l'environnement et repousser les limites actuelles des réserves d'hydrocarbures

Son école d'ingénieurs, partie intégrante d'IFP Energies nouvelles, prépare les générations futures à relever ces défis.

Moments hydrodynamiques s’exerçant sur un cylindre en rotation

Objectif du stage 

Un grand nombre de procédés industriels mettent en jeu une phase fluide interagissant avec une phase solide dispersée (crackage catalytique, transport de pétrole en conduite, lits fluidisés). L’étude de ces systèmes a un double intérêt. Industriel tout d’abord afin d’améliorer l’efficacité des procédés (coût énergétique, impact environnemental). Scientifique également de manière à affiner la connaissance générale des phénomènes complexes mises en jeu. La difficulté de modélisation de ces écoulements découle de la nature très diverse des transferts : de quantité de mouvement, de chaleur et de masse, et de leurs influences réciproques sur la dynamique de l'écoulement.

Dans une stratégie de modélisation multi-échelle d’un lit fluidisé, il est nécessaire de connaitre les forces s’exerçant sur les particules constituant le lit. Si les lits fluidisés constitués de sphères ont été largement étudiées dans la littérature, les particules non sphériques semblent avoir été moins étudiées malgré leur prédominance dans les lits bouillonnants. Les particules cylindriques sont notamment utilisées de manière routinière comme catalyseur.

Il existe une multitude de loi empirique ou semi empirique décrivant la force de trainée sur un cylindre ou sur des particules non sphériques. Cependant il existe très peu d’études s’intéressant aux moments hydrodynamique sur ce type de particules. Dennis et al. (1980) se sont intéressés au cas d’une sphère en rotation pour des nombres de Reynolds, basés sur la vitesse angulaire, modérés (1 < Re_\omega < 100). Kry et List (1974) se sont également intéressés aux moments sur des sphéroïdes en rotation, mais il n’existe pas notre connaissance d’étude générale sur des particules cylindrique.

L'objectif de ce stage est d'utiliser la simulation numérique directe pour cartographier les moments hydrodynamiques s’exerçant sur une particule cylindrique dans un espace à deux dimensions (Re_\omega, D/L) où le nombre de Reynolds est basé sur la vitesse angulaire de l’objet et D et L correspondent respectivement au diamètre et longueur du cylindre.

Pour ce faire, nous utiliserons le logiciel PeliGRIFF  développé à l'IFPEN et déjà utilisé avec succès pour simuler l'écoulement autour de particules de formes complexes (Wachs et al. 2015). Nous nous limiterons à la rotation du cylindre perpendiculairement à son axe de symétrie. 

Programme de recherche

Le plan de travail se déroulera comme suit :

  • Le premier mois de travail ([T0; T0+1]) sera évidemment consacré à la prise en main du logiciel PeliGRIFF ainsi qu'à analyse critique de la bibliographie.
  • La suite du stage ([T0+1; T0+5]) sera principalement dévolue à la simulation numérique directe de cylindre en rotation.
  • Le dernier mois du stage ([T0+5; T0+6]) sera dédié à l'écriture du mémoire ainsi qu'à la mise au point d'un modèle de moment hydrodynamique aussi général que possible.

Pour ce faire, l'étudiant pourra s'aider de la théorie des corps allongés valable en régime de Stokes (Re_\omega, D/L << 1) (Batchelor 1970). 

Durant ce stage l'étudiant aura l'opportunité de passer quelques jours au sein de l’Institut de Mécaniques des Fluides de Toulouse pour profiter pleinement de l’expertise théorique de Jacques Magnaudet. Ce stage peut conduire à une thèse financée par l'IFPEN.

References

Batchelor, G. (1970). Slender-body theory for particles of arbitrary cross-section in stokes flow. Journal of Fluid Mechanics, 44(03):419–440.
Dennis, S., Singh, S. et Ingham, D. (1980). The steady flow due to a rotating sphere at low and moderate reynolds numbers. Journal of Fluid Mechanics, 101(02):257–279.
Kry, P. et List, R. (1974). Aerodynamic torques on rotating oblate spheroids. Physics of Fluids (1958-1988), 17(6):1087–1092.
Wachs, A., Hammouti, A., Vinay, G. et Rahmani, M. (2015). Accuracy of finite volume/staggered grid
distributed lagrange multiplier/fictitious domain simulations of particulate flows. Computers & Fluids, 115: 154–172.

Encadrants : Jean-Lou PIERSON, Jacques MAGNAUDET
Affiliation : IFP Energies Nouvelles (IFPEN) et Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT)

Compétences souhaitables :

Mécanique des fluides / Simulation numérique / Mathématiques appliquées

Rémunération : ≃ 900 euros brut par mois

Contact

IFP Energies nouvelles - Lyon
Jean-Lou PIERSON
Rond-point de l'échangeur de Solaize - BP 3
69360 Solaize
Logo IFP Energies nouvelles - Lyon

Nouvelle recherche