Thèse Année : 2024

Mass Transfer at Fluid Interfaces at Large Péclet Numbers

Transfert de Masse aux Interfaces Fluides à Grands Nombres de Péclet

Jacob Maarek

Résumé

The characterization of mass transfer in unsteady multiphase flows is important for the understanding of various industrial and geophysical processes such as the desulfurization of steel in a metallurgical refining ladle or CO 2 transfer across a wavy ocean surface. From a modeling perspective, the problem is challenging due to the formation of extremely thin, convection-dominated species boundary layers in the fluid which determines the global mass transfer rate. This dissertation, in the framework of the ERC program TRUFLOW, aims at enabling the quantitative prediction of mass transfer in such flows using simulation, high performance computation, and multiphysics, multiscale methods. The modeling of the multiphase flow is performed by direct simulation with a Volume-of-Fluid based flow solver, using octree-based adaptive mesh resolution to treat the various hydrodynamic length scales present in the flow. The existing solver is improved for the case of modeling three-phase flows by the development and validation of a simple model for the computation of the capillary force near the three-phase contact line. A subgrid-scale (SGS) model for the treatment of interfacial thin species boundary layers is presented and integrated into the flow solver. Adapted from existing methods, the SGS model uses a non-linear reconstruction of the species distribution near the interface given by an analytic species boundary layer profile derived from first principles to correct convective and diffusive fluxes in the scalar transport equation. The proposed model is tested by characterizing species transfer from rising bubbles into a surrounding liquid, showing generally mesh-independent results both steady-state and transient mass transfer rates at very large Péclet numbers (comparing convection and diffusion), given a well-resolved flow-field. Lastly, we generalize the developed SGS framework by substituting the analytic boundary layer profile with an approximation given by a shallow neural network, allowing one to simply and efficiently adapt the SGS model for various interface dynamics and transfer phenomena. The developed SGS model is applied to investigate mass transfer in a three-phase flow inspired by the ladle metallurgical secondary refinement process. A container of water, modelling the molten metal, is topped by a thin layer of oil, modelling the slag. The system is agitated by the injection of air at the bottom, creating a bubble plume that merges into the air at the top of the system. Thymol, acting as a passive scalar, is dissolved in the water and is progressively absorbed into the oil layer. We perform numerical studies of the experiment and validate results by comparison to previously performed physical experiments. The improved three-phase modeling scheme combined with the proposed SGS mass transfer framework leads to good agreement for global measures such as the open-eye size and mass transfer rate between the numerical simulations and the experiments. We next use local measures computed from the numerical experiments to build and validate a phenomenological model that explains the mass transfer rate as a function of the flow rate for the given experiment.

La caractérisation du transfert de masse dans les écoulements multiphasiques instables est importante pour la compréhension de divers processus industriels et géophysiques tels que la désulfuration de l’acier dans une nacelle de raffinage métallurgique ou le transfert de CO2 à travers une surface océanique ondulée. Du point de vue de la modélisation, le problème est difficile à résoudre en raison de la formation de couches limites d’espèces extrêmement fines, dominées par la convection dans le fluide qui détermine le taux de transfert de masse global. Cette thèse, dans le cadre du programme ERC TRUFLOW, vise à permettre la prédiction quantitative du transfert de masse dans de tels écoulements en utilisant la simulation, le calcul à haute performance et les méthodes multiphysiques et multi-échelles. La modélisation de l’écoulement multiphasique est réalisée par simulation directe avec un solveur d’écoulement basé sur le schéma Volume-of-Fluid, utilisant une résolution de maillage adaptatif pour traiter les différentes échelles de longueur hydrodynamiques présentes dans l’écoulement. Le solveur existant est amélioré pour la modélisation des écoulements triphasiques par le développement et la validation d’un modèle simple pour le calcul de la force capillaire près de la ligne de contact triphasique. Un modèle sous-maille (MSM) pour le traitement des couches limites d’espèces minces interfaciales est présenté et intégré dans le solveur d’écoulement. Adapté des méthodes existantes, le modèle MSM utilise une reconstruction non linéaire de la distribution des espèces près de l’interface donnée par un profil analytique de couche limite d’espèces dérivé des premiers principes pour corriger les flux convectifs et diffusifs dans l’équation de transport scalaire. Le modèle proposé est testé en caractérisant le transfert d’espèces à partir de bulles montantes dans un liquide environnant, montrant des résultats pour les taux de transfert de masse généralement indépendants du maillage en régime permanent et transitoire à de très grands nombres de Péclet (comparant la convection et la diffusion), si le champs de vitesse est bien résolu. Enfin, nous généralisons le cadre MSM développé en remplaçant le profil analytique de la couche limite par une approximation donnée par un réseau de neurones peu profonds, ce qui permet d’adapter simplement et efficacement le modèle MSM à diverses dynamiques d’interface et à divers phénomènes de transfert. Le modèle MSM développé est appliqué pour étudier le transfert de masse dans un écoulement triphasé inspiré du processus de raffinage secondaire métallurgique en nacelle. Un bain d’eau, modélisant le métal en fusion, est surmonté d’une fine couche d’huile, modélisant le laitier. Le système est agité par l’injection d’air au fond, créant un panache de bulles qui monte au sommet du système. Le thymol, agissant comme un scalaire passif, est dissous dans l’eau et est progressivement absorbé dans la couche d’huile. Nous réalisons des études numériques de l’expérience et validons les résultats en les comparant à des expériences physiques réalisées précédemment. Le schéma amélioré de modélisation triphasique combiné au cadre de transfert de masse MSM proposé conduit à un bon accord pour les mesures globales telles que la taille de l’œil ouvert et le taux de transfert de masse entre les simulations numériques et les expériences. Nous utilisons ensuite les mesures locales calculées à partir des expériences numériques pour construire et valider un modèle phénoménologique qui explique le taux de transfert de masse en fonction du débit pour l’expérience donnée.

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  • HAL Id : tel-04863062 , version 1

Citer

Jacob Maarek. Mass Transfer at Fluid Interfaces at Large Péclet Numbers. Engineering Sciences [physics]. Sorbonne Université, 2024. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04863062v1⟩
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