Simulation of a large-scale airlift pump taking into account uncertainties. Application to the optimization of a new urban geothermal system
Creators
- Monmarson, Bastien
- Universite Grenoble Alpes, Ecole Doctorale Ingenierie - Materiaux, Mecanique, Environnement, Energetique, Procedes, Production - I-MEP2, Laboratoire des Ecoulements Geophysiques et Industriels - LEGI, Equipe MoST, 1025 Rue de la piscine, BP 53, 38041 Grenoble Cedex 9 (France)
- Ecole Centrale de Lyon (France)
Description
This PhD thesis is part of the ANR project 'Uncertain Flow Optimization' (UFO). The project is devoted to the development and application of efficient uncertainty quantification methods for flow analysis and optimization. In this framework, these methods are applied to the study of a large-scale airlift pump. The airlift pump is selected to be part of an innovative geothermal system, which can be exploited within an urban environment. We wish to quantify and optimize the energy potential of this new system with numerical tools. They provide both good accuracy and efficiency properties. The airlift two-phase flow simulation is based on a quasi one-dimensional drift flux model, which is implicitly solved. The solver is validated by comparison with relevant experimental airlift studies from the literature. However, these studies remain below the kilometric-targeted pipe length. Thanks to the analysis of two uncertainty quantification methods, a non-intrusive approach relying on polynomial chaos expansion and a new semi-intrusive method developed ahead of the UFO project, we perform airlift pump simulations taking into account physical and modelling uncertainties. This numerical tool is inserted into a simplified model of the complete urban geothermal system that involves surface devices, such as an air compressor. Finally, a robust preliminary optimization process is performed for two versions of the proposed geothermal urban system. They are designed respectively for heat recovery and electricity production. (author)
Abstract (French)
Cette these s'inscrit dans le cadre du projet ANR 'Uncertain flow optimization' (UFO) consacre au developpement et a l'application de methodes efficaces de quantification d'incertitudes pour l'analyse et l'optimisation d'ecoulements. Dans ce contexte, ces methodes sont appliquees a des gazosiphons de grande echelle utilises comme pompe. Plus particulierement, on s'interesse a de tels gazosiphons choisis pour constituer l'organe central d'un systeme geothermique innovant, compatible avec un environnement urbain. On souhaite en quantifier le potentiel energetique par voie numerique avec la recherche d'un compromis entre justesse des resultats et efficacite optimale. La simulation de l'ecoulement diphasique produit dans le gazosiphon est fondee sur un modele quasi-1D a flux de derive et s'appuie sur une demarche de resolution implicite. Les resultats sont valides sur les etudes experimentales les plus pertinents de la litterature, dont aucune toutefois n'atteint les longueurs requises de l'ordre du kilometre. Le code de simulation du gazosiphon fait ensuite l'objet d'une demarche de prise en compte d'incertitudes physiques et de modelisation, precedee par une analyse de deux methodes de quantification d'incertitude: une methode non-intrusive de type chaos polynomial, et une methode plus recente dite semi-intrusive qui fut developpee en amont du projet UFO. Cet outil est integre dans une modelisation simplifiee du systeme geothermique urbain dans son ensemble impliquant les composants en surface, notamment le compresseur d'air. Il en resulte une optimisation energetique robuste preliminaire de deux variantes du systeme geothermique urbain propose, respectivement de recuperation de chaleur et de production d'electricite. (auteur)
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Additional details
Additional titles
- Original title (French)
- Simulation en presence d'incertitude d'un gazosiphon de grande echelle. Application a l'optimisation d'un nouveau systeme geothermique urbain
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 231 p.
- Report number
- FRNC-TH--13363
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 53101660
- Subject category
- S42: ENGINEERING;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- COMPUTERIZED SIMULATION; DATA COVARIANCES; DISTRICT HEATING; FLOW MODELS; GAS COMPRESSORS; GAS LIFTS; GEOTHERMAL POWER PLANTS; GEOTHERMAL SYSTEMS; OPTIMIZATION; PARAMETRIC ANALYSIS; TWO-PHASE FLOW; URBAN AREAS
- Descriptors DEC
- ARTIFICIAL LIFTS; COMPRESSORS; FLUID FLOW; HEATING; MATHEMATICAL MODELS; POWER PLANTS; SIMULATION; THERMAL POWER PLANTS
Optional Information
- Notes
- [140 refs.]; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses