Le ruissellement de films liquides sur des surfaces complexes est une configuration que l’on trouve couramment dans des équipements de génie chimique (dans les lits fixes catalytiques, dans les colonnes à garnissages structurés des procédés de capture du CO2) mais aussi dans des systèmes énergétiques (pour le refroidissement des moteurs électriques ou dans des évaporateurs). La compréhension et la modélisation du comportement de ces films liquides ruisselants est primordiale pour permettre une meilleure analyse des phénomènes à l’œuvre et l’optimisation des différents systèmes concernés.
Désireux de lancer un travail doctoral pour étendre et améliorer les modèles CFD1 de films liquides qui reposent sur la librairie opensource OpenFOAM, IFPEN a proposé au TUB (Technische Universität Berlin) de le réaliser en co-tutelle2. Le Process Dynamics and Operations Group, dirigé par le Pr. Jens Repke, est en effet renommé sur ces aspects et utilise le même logiciel de simulation numérique. La collaboration autour de cette thèse [1] permet donc de valoriser les bases de données expérimentales existantes des deux partenaires, et de les compléter par de nouvelles mesures de transfert de matière local.
Sur le plan expérimental, une nouvelle technique est en cours de développement au sein de l’équipe du Pr. Repke. Elle combine la mesure locale du transfert de matière, par fluorescence planaire induite par laser (PLIF), avec une mesure simultanée de la vitesse locale, par µ-Stereo-PIV3. La méthode permettra d’obtenir des données plus précises et complètes pour la validation des simulations numériques, en particulier sur des configurations géométriques réelles de garnissages structurés.
La Fig. 1 montre deux exemples de simulations de films ruisselants, réalisés au cours de ce travail doctoral :
- D’un côté un film formant des ruisselets sur une plaque plane verticale, reproduisant les travaux de Lavalle et al. [2] ;
- De l’autre, un film s’écoulant sur une microstructure qui a été étudiée expérimentalement à TUB [3].
L’objectif ultime de la thèse est de disposer d’un jumeau numérique capable de prédire, par Simulation Numérique Directe (DNS), à la fois l’hydrodynamique et les transferts de matière dans un volume représentatif à petite échelle), en vue de les extrapoler vers un modèle simplifié à plus grande échelle. Pour cela seront utilisés les travaux d’une précédente thèse IFPEN [4], au cours de laquelle la méthode Volume-Of-Fluid (VOF) géométrique isoAdvector4 a pu être étendue de manière consistante au transport d’espèces et au transfert de matière.
1 Mécanique des fluides numérique
2 Le doctorant partage son temps à égalité entre Berlin et le site lyonnais d’IFPEN. Le Pr. Jens Repke, pour l’école doctorale de TUB, et Pascal Alix (IFPEN), pour l’école doctorale MEGA à Lyon, assurent la codirection de cette thèse
3 Permettant de mesurer les 3 composantes de la vitesse dans le plan laser, à l’aide d’une seconde caméra visant la même zone
4 Disponible dans la bibliothèque opensource OpenFOAM
Références :
[1] T. Campos “ Modelization of falling liquid films over complex surfaces”, Thèse Université de Lyon - Technische Universität Berlin, 2024-2027.
[2] G. Lavalle, J. Sebilleau, and D. Legendre. “Rivulet cascade from falling liquid films with side contact lines”. Phys. Rev. Fluids, 5:124001, Dec 2020,
>> DOI : https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.5.124001
[3] S. J. Gerke and J.-U. Repke, “Experimental investigations of the fluid dynamics in liquid falling films over structured packing geometry” Chemical Engineering Research and Design, 2019,
>> DOI : https://doi.org/10.1016/j.cherd.2019.05.043
[4] Alexis Tourbier, Lionel Gamet, Philippe Béard, Typhène Michel, Joelle Aubin, Hrvoje Jasak, “A consistent methodology to transport a passive scalar with the geometric Volume-of-Fluid method isoAdvector”, Journal of Computational Physics, Volume 513, 2024
>> DOI : https://doi.org/10.1016/j.jcp.2024.113198
Contact scientifique : Lionel Gamet