Modélisation du changement de phase d'une goutte liquide entourée d'un gaz multi-constituant

Les écoulements constitués de gouttelettes liquides dispersées au sein d'un gaz multi-constituant en présence d'évaporation et de condensation apparaissent dans de nombreuses applications liées aux écoulements diphasiques. Cependant, les modèles existants traitent essentiellement le cas de l'évaporation dans le cadre de la combustion de sprays. Cela signifie que l'énergie est transférée du gaz chaud au liquide pour produire son changement de phase. Cette approche est non-symétrique car dans certaines situations, l'énergie est déjà stockée dans la phase liquide et une évaporation explosive (flashing) se produit comme conséquence de la goutte en surpression. Dans notre approche, un modèle de transfert de masse dans le cadre de gouttelettes est présenté et validé dans chacune des situations : évaporation, flashing et condensation. Il tient compte : - du couplage des diffusions de masse et de chaleur dans la phase gazeuse, - de la thermodynamique du gaz multi-constituant. - de la diffusion de chaleur à l'intérieur de la gouttelette liquide, permettant la considération du chauffage et du refroidissement de la goutte. Ces effets sont importants dans des situations telles que l'évaporation et le flashing. Le modèle résultant est un système non-linéaire algébrique constitué de trois équations. Il fournit ainsi la température d'interface, le débit massique de gaz et la fraction massique de vapeur d'eau dans le gaz déterminée à l'interface. Ces variables d'interface permettent le calcul des taux de transfert de masse des espèces, de mouvement et d'énergie apparaissant dans les modèles d'écoulements diphasiques moyennés en volume. Le couplage est réalisé entre le sous-modèle algébrique de transfert de masse et un modèle d'écoulement diphasique moyenné de type Baer et Nunziato (1986). Des résultats numériques sont présentés

Modeling droplet phase change in the presence of a multi-component gas mixture

International audienceDispersed liquid droplet flows with evaporation and condensation in multi-component gas mixture made of vapor and other gas phase chemical species such as air occur in many engineering applications dealing with two-phase flows. However, existing models are essentially derived for vaporization occurring in sprays combustion. It means that the energy is transferred from a hot gas to the liquid to produce its phase change. This is thus a non-symmetric approach as in some situations the energy is already stored in the liquid phase and flashing occurs as a consequence of pressure drop.In the present paper a droplet mass transfer model is derived and is valid in any situation: evaporation, flashing and condensation. It accounts for:- coupled heat and mass diffusion in the gas phase,- thermodynamics of the multi-component gas mixture,- heat diffusion inside the liquid droplet, enabling consideration of both droplet heating and cooling. These effects are important in evaporating and flashing situations respectively.The resulting model consists in an algebraic non-linear system of three equations giving the interface temperature, the mass flow rate and vapor species concentration at the interface. These interfacial variables enable computation of the mass species, momentum and energy transfer rates appearing in volume averaged two-phase flow models.Computational examples are shown with this mass transfer model embedded in a compressible two-phase flow model of Baer and Nunziato (1986) type