Development of an Efficient Stabilized Navier-Stokes Solver to Simulate Turbulent Flows in Process-Intensified Devices

De la production de biocarburants aux produits pharmaceutiques, l’industrie chimique s’ef-force constamment d’améliorer les procédés en termes de durabilité et d’efficacité. Ce domaine est connu sous le nom d’intensification des procédés (Process Intensification en anglais, PI) en génie chimique. Elle consiste en la conception d’équipements qui améliorent le transfert de masse et de chaleur sans affecter négativement l’environnement et les coûts du processus, ce qui est possible grâce à l’innovation en termes de taille, de géométrie et de conditions de fonctionnement. Les équipements Hi-Gee (à forte gravité) , les mélangeurs statiques et les tours de distillation réactives sont quelques exemples de dispositifs intensifiés. Ces dispositifs intensifiés ont des caractéristiques communes qui peuvent être résumées comme suit : géométries complexes (courbes), phénomènes physiques simultanés (turbulence, trans-fert d’énergie et de masse, réactions chimiques) et écoulements incompressibles transitoires (en rotation) à un nombre de Reynolds intermédiaire (Re ∈ [103, 105]). L’hydrodynamique à l’intérieur de ces dispositifs est complexe et les méthodes expérimentales ne sont plus suffi-santes pour caractériser complètement le comportement de l’écoulement. De plus, le nombre de variables qui peuvent être optimisées conduit à un grand nombre d’expériences qui doivent être réalisées, ce qui se traduit par un investissement important en temps et en argent. Par conséquent, la modélisation numérique de l’écoulement, également connue sous le nom de mécanique des fluides numérique (Computational Fluid Dynamics en anglais, CFD), joue un rôle important pour surmonter ces limitations au sein de la PI. La simulation des écoulements est un domaine de recherche actif qui se concentre sur l’ap-proximation numérique de la solution des équations de Navier–Stokes. Le présent travail vise à développer un solveur Navier–Stokes stabilisé efficace pour simuler les écoulements tur-bulents incompressibles rencontrés dans les dispositifs intensifiés. Un tel solveur devrait être capable de modéliser avec précision la physique des écoulements turbulents à un coût de calcul raisonnable pour une variété de configurations et une large gamme de conditions d’écoule-ment. Ceci nécessite une étude détaillée de la modélisation de la turbulence et de la résolution numérique requises pour obtenir une solution approximée des équations incompressibles de Navier–Stokes.

Abstract

From biofuel production to pharmaceuticals, the chemical industry is constantly trying to improve processes in terms of sustainability and efficiency. This domain is known as Process Intensification (PI) in chemical engineering. It consists of the design of equipments that enhance mass and heat transfer without negatively affecting the environment and process costs through innovation in terms of size, geometry, and operating conditions. Some examples of process-intensified devices include Hi-Gee (high-gravity) equipment, static mixers, and reactive distillation towers. These process-intensified devices have common characteristics that can be summarized as follows: complex (curved) geometries, concurrent physical phenomena (turbulence, energy and mass transfer, chemical reactions) and (rotating) transient incompressible flows at an intermediate Reynolds number (Re ∈ [103, 105]). The hydrodynamics within these devices are complex, and experimental methods are no longer sufficient to fully characterize the flow behavior. Moreover, the number of variables that can be optimized leads to a large number of experiments that need to be performed, which ultimately translate into a large investment of time and money. Therefore, numerical modeling of the flow, also known as Computational Fluid Dynamics (CFD), plays an important role in overcoming these limitations within PI. The simulation of flows is an active research field that focuses on the numerical approxima-tion of the solution of the Navier–Stokes equations. The present work aims at developing an efficient stabilized Navier–Stokes solver to simulate the incompressible turbulent flows en-countered in process-intensified devices. Such a solver should be able to accurately model the physics of turbulent flow at reasonable computational cost for a variety of configurations and a wide range of flow conditions. This requires a detailed study of the turbulence modeling aspect and the numerical resolution behind the incompressible Navier–Stokes equations.