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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUP

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE M’HAMED BOUGARA BOUMERDES FACULTE DES HYDROCARBURES ET DE LA CHIMIE Département Transport et Equipements des Hydrocarbures Laboratoire de Génie Physique des Hydrocarbures THESE DE DOCTORAT Spécialité : Génie mécanique Option : Thermo-fluide Présentée par : KHELIFI TOUHAMI Mohamed Salah THEME SIMULATION NUMERIQUE DE LA CONVECTION NATURELLE DANS UN BAC DE STOCKAGE DE GNL Soutenue publiquement le 29/01/2012 devant le jury : KESSAL Mohand Professeur UMBB(Boumerdès) Président BENBRIK Abderrahmane Professeur UMBB(Boumerdès) Directeur de thèse DIZENE Rabah Professeur USTHB(BabEzzouar) Examinateur AZZI Abdelwahid Professeur USTHB(BabEzzouar) Examinateur MOHAMEDI Kamel Professeur UMBB(Boumerdès) Examinateur RETIEL Noureddine Maître de Conférences UAIBM(Mostaganem) Examinateur Boumerdes 2012 Dédicaces Je dédie ce modeste travail à : Ma mère et mon père Mes frères et sœurs Ma femme Remerciements Le présent travail a été effectué au sein du laboratoire de Génie Physique des Hydrocarbures (LGPH) de la faculté des Hydrocarbures et de la Chimie à l’Université M’Hamed Bougara de Boumerdès, dans le cadre d’un accord programme CMEP en partenariat avec le Laboratoire d’Etudes Thermiques (LET) de l’Ecole Supérieure Nationale de Mécanique et d’Aérotechnique (ENSMA) de Poitiers (France), sous la direction de Monsieur Abderrahmane Benbrik, professeur à l’UMBB (Responsable de l’accord programme côté algérien). Qu’il trouve ici l’expression de ma profonde gratitude pour son soutien constant et ses précieux conseils et de m’avoir fait confiance pour cette longue et ambitieuse étude. Je tiens aussi à remercier très chaleureusement, Monsieur Denis Lemonnier (Responsable de l’accord programme côté français) pour son accompagnement, ses orientations, ses idées et la qualité de ses conseils qui m’ont permis d’évoluer dans mon travail. Je suis en particulier très sensible à l’honneur que m’a fait Monsieur M. Kessal (professeur à l’UMBB) pour avoir accepté de présider le jury d’examen de cette thèse. Je tiens à exprimer mes vifs remerciements à Messieurs : R. Dizene (professeur à l’USTHB), A. Azzi (professeur à l’USTHB), K. Mohammedi (professeur à l’UMBB) et N. Retiel (Maître de conférences A à l’Université de Mostaganem) d’avoir bien voulu participer à mon jury de thèse et d’avoir examiné mon travail. Je remercie également ceux qui ont bien voulu m’aider à la lecture de cette thèse : A. Khelifi, M. Kecir et K. Khaldi. Je souhaite également témoigner toute ma sympathie à l’ensemble d’amis et collègues enseignants pour leur soutien et leur disponibilité. Je pense particulièrement à S. Laouar, K. Sahnoune, A. Laouari… Que mes parents trouvent en ces lignes toute la reconnaissance qui leur est due, de m’avoir toujours encouragé dans mes choix et de m’avoir donné les moyens pour y arriver. Sans oublier ma femme pour sa patience pendant toutes mes années de recherche ainsi que pour son encouragement quotidien. Enfin je m’excuse auprès de mes amis et collègues et de toute personne ayant contribué de près ou de loin à ce travail de ne pouvoir tous les citer. Résumé Le processus d’évaporation du gaz naturel liquéfié (GNL) dans les bacs de stockage aériens est étroitement lié aux infiltrations thermiques à travers les parois. La maîtrise de ce phénomène revêt une importance particulière parce qu’il cause une perte sensible de quantité, modifie la qualité du produit et peut avoir une incidence sur la sécurité du stockage. La plupart des études déjà abordées portent sur le calcul du taux d’évaporation par des modèles simples unidimensionnels et parfois par introduction des lois thermodynamiques au niveau de l’interface liquide-vapeur. D’autres travaux utilisent des modèles à deux phases en deux dimensions afin d’obtenir le taux d’évaporation surtout dans le cas du Rollover. Alors que très peu de travaux numériques ou expérimentaux ont été étudiés dans les réservoirs présentant un chauffage latéral des liquides cryogéniques en état de repos et non stratifié initialement. Dans ce travail, nous étudions numériquement la convection naturelle à l’intérieur de la phase liquide stockée dans un écoulement bidimensionnel. La densité de flux de chaleur d’évaporation est évaluée par la loi de Hashemi-Wesson. L’utilisation des modèles de turbulence est extrêmement importante vu les valeurs élevées des nombres de Rayleigh correspondants aux hauteurs réelles des réservoirs dans les unités de liquéfaction du gaz. La formulation mathématique repose sur la discrétisation des équations de quantité de mouvement et d’énergie ainsi que les équations de turbulence k-oméga à faible nombre de Reynolds avec la méthode des volumes finis en adoptant le schéma de loi de puissance. Les conditions aux limites sont basées sur le chauffage latéral par une densité de flux de chaleur constante et un changement de phase à la surface libre par une densité de flux de chaleur d’évaporation en plus d’une densité de flux convectif. L’algorithme SIMPLER est utilisé pour résoudre le couplage vitesse-pression. Les équations sont résolues ligne par ligne à l’aide de l’algorithme Thomas. La méthode purement implicite a été utilisée pour l’intégration dans le temps de toutes les équations considérées. La solution est supposée être convergente lorsque le critère de convergence est satisfait. Les résultats ont été validés numériquement dans une cavité cylindrique à faibles nombres de Rayleigh et expérimentalement dans une cavité carrée à des nombres de Rayleigh élevés. Les résultats concernant la convection naturelle dans le bac de stockage ont été présentés sous forme de contours de température et des champs de vitesse en fonction du nombre de Rayleigh variant entre 1012 et 1017. Ces résultats montre bien une seule recirculation principale et elle est d’autant plus accélérée que le nombre de Rayleigh est élevé. Deux corrélations ont été obtenues pour le nombre de Nusselt moyen latéral et le nombre de Nusselt moyen de surface. Le refroidissement convectif au niveau de la surface libre tend à s’égaliser avec l’évaporation lorsque le nombre de Rayleigh est très élevé. L’évaporation est de plus en plus concentrée près des parois avec l’augmentation du nombre de Rayleigh et elle tend à s’uniformiser dans le reste de la surface libre. Mots clés : Convection naturelle, Turbulence, Méthode des volumes finis, Stockage du GNL Abstract The evaporation process of the liquefied natural gas (LNG) storage tanks in air is closely related to heat infiltration through the walls. Control of this phenomenon is of particular importance because it causes a significant loss of quantity and quality of the product and may affect the safety of storage. Most of the studies already discussed have calculated the rate of evaporation by simple one-dimensional models and sometimes by introducing the laws of thermodynamics at the liquid-vapor interface. Other studies using models of two phases flow and considering it two dimensional to obtain the evaporation rate in the case of rollover. This last phenomenon was also studied taking into account a stratified LNG initially in CFD simulations. While very few numerical or experimental work were studied in tanks having a heating side of cryogenic liquids at rest and initially none stratified. In this work, we study numerically the natural convection inside the liquid phase stored in the tank in two dimensional flows. The evaporative heat flux is evaluated by Hashemi Wesson law. The use of turbulence models is extremely important because the Rayleigh numbers become very high when they correspond to the actual heights of the reservoirs in gas liquefaction plants. The mathematic formulation is based on the equations of momentum and energy equations and the k-omega turbulence at low Reynolds number with the finite volume method by adopting the scheme of power law. The boundary conditions are based on the lateral heating by a constant heat flux and a phase change at the free surface by evaporative heat flux and convective cooling heat flux. The SIMPLER algorithm is used to solve the velocity-pressure coupling. The equations are solved line by line using Thomas algorithm. Fully implicit method was chosen for integration in time of all the equations considered. The solution is assumed to be converged when the convergence criterion is satisfied. The results were validated numerically in a cylindrical cavity at low Rayleigh number and experimentally in a square cavity at high Rayleigh number. The results for natural convection in the storage tank have been presented as contours of temperature and velocity fields based on the Rayleigh number ranging between 1012 and 1017. These results clearly show a single principal recirculation and it is even more accelerated when the Rayleigh number is high. Two correlations were obtained for the average lateral Nusselt number and average Nusselt at the surface. Convective cooling at the free surface tends to equalize with the evaporation when the Rayleigh number is very high. Evaporation is more concentrated near the walls with increasing Rayleigh number and it tends to become uniform in the rest of the free surface. Key words: Natural convection, Turbulence, Finite volume method, LNG Storage Sommaire Nomenclature IX La liste des figures XI La liste des tableaux XIII Introduction générale 1 CHAPITRE 1 : Revue Bibliographique 5-18 1.1 Introduction 5 1.2 Convection naturelle 6 1.3 Travaux antérieurs 7 1.3.1 Cavités carrées 7 1.3.2 Cavités cylindriques 10 1.3.3 Réservoirs de stockage 11 1.4 Problématique 14 1.4.1 Stockage du GNL 14 1.4.2 Evaporation du GNL 14 CHAPITRE 2 : Formulation mathématique 19-33 2.1 uploads/Geographie/ khelifi-touhami-mdsalah.pdf