Modélisation des transferts couplés de chaleur et de masse avec changement de phase en milieux poreux

ABSTRACT

The physical model is based on balance equations at the representative elementary volume. The considered medium has three phases (liquid, solid and gaseous phases). The gaseous phase includes two components (air and steam). We use the mass balance equations over air and water (liquid and steam) as well as heal equation in order to describe the phenomena. The system of equations is closed via classical relations in this media, which lead to a three equations system with coupled nonlinear partial derivatives. We have applied this model to the superheated steam drying. A solution model of the coupled nonlinear equations system based on the finite element method in a 2D configuration was developped and validated. This approach allows to determine the whole variables of the problem. It is a complementary tool of analysis which opens access to non mesurable variables, such as phases velocities. This computation model was applied to a configuration studied experimentally. The numerical and experimental results agree in non-dimensional time. This double approach has enabled us to point out and evaluate new mechanisms typical from this drying methods.

RÉSUMÉ

Le modèle physique est basé sur l'écriture des équations de bilan à l'échelle du volume élémentaire représentatif. Le milieu considéré est triphasé (liquide, solide et gaz); la phase gazeuse comporte deux constituants (air et vapeur). Nous utilisons les équations de bilan masse sur l'air et sur l'eau (liquide + vapeur) ainsi que l'équation de l'énergie pour décrire les phénomènes. La fermeture du système d'équations est réalisée en utilisant les relations classiques dans ces milieux qui permettent d'obtenir un système de trois équations aux dérivées partielles non linéaires couplées. Nous avons appliqué ce modèle au cas du séchage en vapeur d'eau surchauffée. Un module de résolution du système d'équations non-linéaires couplées, basé sur la méthode des éléments finis dans une configuration bidimensionnelle, a été mis au point et validé. Cette approche permet la détermination de l'ensemble des variables du problème et constitue un outil complémentaire d'analyse au travers de l'accès aux grandeurs non-mesurables telles que les vitesses des phases. Ce modèle de calcul a été appliqué à la configuration étudiée expérimentalement, les résultats expérimentaux et numériques en temps adimensionné sont similaires. Cette double approche nous a permis de mettre en évidence et d'interpréter de nouveaux mécanismes caractéristiques de ce mode de séchage.

KEYWORDS:

• heat transfer
• fluid flow
• porous media

MOTS-CLÉS:

• transfert de chaleur
• écoulement
• milieux poreux