Published November 29, 2002 | Version v1
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Modeling of the reflooding of a particle bed: contribution to the estimation of macroscopic transport properties

Description

This work deals with the macroscopic modeling of heat and mass transfer in a superheated porous medium subjected to a liquid-vapor flow with phase change. Considering local thermal non-equilibrium between the three phases, a quasi-steady three-temperature macroscopic model is derived using the volume averaging method. An attractive feature of the scaling-up theory lies in the derivation of a closed form of the evaporation rate at the macroscopic level depending on the large scale temperatures and the effective properties. The resulting macroscopic model may be seen as a generalization of existing three-temperature models obtained from a heuristic approach. The main differences are the existence of additional transport terms and a coupling between the macroscopic continua (phases and interface) that seems to be more complex. The major interest of the proposed approach is to provide closure problems that allow to determine the effective transport coefficients, such as the thermal dispersion tensors and the heat exchange coefficients, from a local scale description over a representative cell of the porous medium under consideration. These problems have been solved for simple unit cells to provide first estimates of the effective properties. For these unit cells and for purely diffusive processes with phase change, comparisons with numerical solutions of the local problem have shown the practical interest and the potentialities of the macroscopic model. For more complex unit cells, a direct numerical simulation of the two-phase flow at the local scale has been performed to provide the required velocity field and the interface topology. The direct numerical simulation tool which has been developed is based on a diffuse interface method. These methods are well suited to the local scale characteristic lengths of the porous medium and the developments carried out show that it is possible to extend them to take into account phase change in the framework of Cahn-Hilliard models. Results obtained on 2D unit cells emphasize a strong impact of the pore-scale phase repartition and indicate that correlations for the effective properties involving saturation and Peclet numbers can be relatively complex. (author)

Availability note (English)

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Abstract (French)

Ce travail porte sur la modelisation macroscopique des transferts de masse et de chaleur dans un milieu poreux surchauffe parcouru par un ecoulement liquide-vapeur avec changement de phase. Dans le cadre du non equilibre thermique local entre les trois phases du systeme, un modele macroscopique quasistationnaire a trois temperatures est etabli par prise de moyenne volumique des equations de transport locales. Un des aspects attrayants de la technique de changement d'echelle reside ici dans le developpement d'une forme fermee du taux d'evaporation a l'echelle macroscopique dependant des temperatures moyennes et des proprietes effectives. Le modele macroscopique resultant peut etre vu comme une generalisation des modeles a trois temperatures existants obtenus dans le cadre d'une approche heuristique. Les principales differences sont la presence de termes de transport supplementaires et un couplage entre les differents continuums (phases et interface) qui semble plus complexe. L'interet majeur de l'approche developpee ici est de proposer des problemes de fermeture permettant de determiner les coeffcients de transport effectifs, tels que les tenseurs de dispersion et les coeffcients d'echange, a partir d'une description locale sur une cellule representative du milieu considere. Ces problemes ont ete resolus pour des cellules unitaires simples pour obtenir une premiere estimation des proprietes effectives. Pour ces cellules et pour des problemes de diffusion-evaporation, des comparaisons avec des solutions numeriques du probleme local ont permis d'illustrer l'interet pratique et les potentialites du modele macroscopique. Pour des cellules unitaires plus complexes, une simulation numerique directe de l'ecoulement diphasique a l'echelle locale a ete effectuee permettant d'avoir acces au champ de vitesse et a la topologie des interfaces. L'outil de simulation numerique directe developpe est base sur une methode a interface diffuse. Ces methodes sont bien adaptees aux longueurs caracteristique a l'echelle locale du milieu poreux et les developpements menes montrent que l'on peut envisager de prendre en compte le changement de phase dans le cadre des modeles de Cahn-Hilliard. Les resultats obtenus sur des cellules 2D soulignent le role important de la repartition des phases et indiquent que les correlations pour les proprietes effectives, en fonction de la saturation et des nombres de Peclet, peuvent etre relativement complexes. (auteur)

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Original title (French)
Modelisation du renoyage d'un lit de particules: contribution a l'estimation des proprietes de transport macroscopiques

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227 p.
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FRNC-TH--6108

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