Dynamic relaxation processes in compressible multiphase flows. Application to evaporation phenomena

• Main Authors: Le Métayer O., Massoni J., Saurel R.
• Format: Article
• Language: English
• Published: EDP Sciences 2013-07-01
• Series: ESAIM: Proceedings and Surveys
• Online Access: http://dx.doi.org/10.1051/proc/201340007

Phase changes and heat exchanges are examples of physical processes appearing in many industrial applications involving multiphase compressible flows. Their knowledge is of fundamental importance to reproduce correctly the resulting effects in simulation tools. A fine description of the flow topology is thus required to obtain the interfacial area between phases. This one is responsible for the dynamics and the kinetics of heat and mass transfer when evaporation or condensation occurs. Unfortunately this exchange area cannot be obtained easily and accurately especially when complex mixtures (drops, bubbles, pockets of very different sizes) appear inside the transient medium. The natural way to solve this specific trouble consists in using a thin grid to capture interfaces at all spatial scales. But this possibility needs huge computing resources and can be hardly used when considering physical systems of large dimensions. A realistic method is to consider instantaneous exchanges between phases by the way of additional source terms in a full non-equilibrium multiphase flow model [2,15,17]. In this one each phase obeys its own equation of state and has its own set of equations and variables (pressure, temperature, velocity, energy, entropy,...). When enabling the relaxation source terms the multiphase mixture instantaneously tends towards a mechanical or thermodynamic equilibrium state at each point of the flow. This strategy allows to mark the boundaries of the real flow behavior and to magnify the dominant physical effects (heat exchanges, evaporation, drag,...) inside the medium. A description of the various relaxation processes is given in the paper. <br> Les changements de phase et les transferts de chaleur sont des exemples de phénomènes physiques présents dans de nombreuses applications industrielles faisant intervenir des écoulements compressibles multiphasiques. La connaissance des mécanismes associés est primordiale afin de reproduire correctement leurs effets à travers des outils de simulation. Dans ce cadre, une description fine de la topologie d’un écoulement est nécessaire afin de connaître précisément l’aire interfaciale entre toutes les phases. Celle-ci est en effet responsable de la dynamique et de la cinétique des transferts de masse et de chaleur lorsque de l’évaporation et de la condensation se produisent. Malheureusement cette aire interfaciale est difficilement accessible particulièrement lorsque des mélanges complexes se forment (gouttes, bulles, inclusions de différentes tailles) au sein du milieu. La façon la plus naturelle de résoudre ce problème est d’utiliser un maillage suffisamment fin afin de capturer toutes les interfaces présentes à toutes les échelles. Cependant cette possibilité demanderait des ressources informatiques démesurées au vue de certains systèmes pouvant être de très grande taille. Une méthode plus réaliste est de considérer que les échanges entre les phases s’effectuent instantanément. Des termes sources de relaxation liés à ces échanges sont utilisés dans un modèle d’écoulement compressible à phases séparées en déséquilibre [2,15,17]. Dans celui-ci, chaque phase possède son propre jeu d’équations et ses propres variables (pression, vitesse, température, énergie, entropie, ...). Quand les termes de relaxation sont activés, le mélange multiphasique tend instantanément en chaque point de l’écoulement vers un état d’équilibre prédéfini. Cette approche permet également de borner les conditions réelles d’écoulement et de souligner les effets physiques dominants (transfert de chaleur, évaporation, trainée, ...). Une description des différents processus de relaxation est proposée dans ce papier.