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.