Etude numérique des effets d'évaporation et de thermo-capillarité sur la convection naturelle aux sein des réservoirs cryogéniques

Abstract

La quantification de l'évaporation de surface du gaz liquéfié dans un réservoir cryogénique partiellement rempli est importante à la fois dans le processus de conception et dans le contrôle ultérieur des opérations. Cette thèse se concentre sur les effets des pertes de chaleur externes sur l'évaporation de surface et la convection naturelle d'un gaz liquéfié contenu dans un réservoir cylindrique cryogénique en tenant compte de la thermo-capillarité (de l’effet de Marangoni). Le débit massique d'évaporation est supposé négligeable ; cependant, la chaleur absorbée pendant le processus est prise en compte et définie selon le modèle de Hashemi-Wesson. Le problème physique a été formulé sous forme adimensionnelle, puis résolu numériquement en utilisant la procédure des volumes finis. Les pertes de chaleur externe et le flux de chaleur d'évaporation de surface ont été quantifiés au moyen du nombre de Nusselt. Plusieurs simulations ont été réalisées en fonction du nombre de Rayleigh (10+4 ≤ Ra ≤ 10+5), du nombre de Marangoni (0 ≤ Ma ≤ 2000) et du rapport d'aspect de la cavité (0,5 ≤ AR ≤ 2). Les résultats ont montré que lorsque Ra augmente, le taux de transfert de chaleur de la paroi vers le fluide augmente ainsi que le taux d'évaporation. Une grande valeur de Ma peut réduire le flux de chaleur d'évaporation de surface jusqu'à 5% en raison du flux thermo-capillaire. Un niveau de remplissage élevé réduit l'évaporation de surface jusqu'à 42 % pour AR = 0,5, tandis qu'un faible niveau de remplissage la favorise jusqu'à 46 % pour AR = 1,5, par rapport à AR = 1. Les nombres de Nusselt de la surface libre et de la paroi latérale dépendent fortement de Ra, Ma et AR, et les deux ont été corrélés dans des formules simples avec une tolérance technique de ±5%.