Modeling and Simulation of an Upflow Dense Fluidized Bed Solar Receiver

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement du concept de particules solides pour des centrales solaires thermodynamiques de nouvelle génération. Les particules solides y assurant à la fois le rôle de fluide caloporteur et de milieu de stockage thermique, atteignant des températures allant de la température ambiante à plus de 1000 °C, et améliorant ainsi l’efficacité thermique du récepteur solaire, du système de stockage ainsi que du cycle de conversion en électricité.Parmi les concepts innovants de récepteur à particules en cours de développement, un lit fluidisé de particules de classe A dans la classification de Geldart est pressenti comme fluide caloporteur au sein du récepteur solaire à particules fluidisées (ou lit fluidisé dense ascendant). Ce concept, développé par Toulouse INP et le CNRS avec l’aide de partenaires internationaux dans le cadre des projets européens CSP-2 et Next-CSP, a montré un fort potentiel en laboratoire et à l’échelle pilote à la tour solaire de Thémis, où un récepteur à l’échelle mégawatt, constitué de 40 tubes parallèles (diamètre 5 cm, hauteur irradiée 3 m), a été testé.Le passage à l’échelle industrielle, et à des récepteurs solaires de 10 à 50 MWth, requiert des tubes plus hauts, idéalement 6 m ou plus ; l’augmentation du diamètre des tubes réduisant le renouvellement des particules au voisinage de la paroi et abaissant en conséquence le coefficient d’échange thermique paroi-lit.Des expérimentations antérieures menées dans des tubes étroits (hauteurs comprises entre 1 et 4 m) ont mis en évidence deux transitions dans le régime d’écoulement : bullage et bouchons de paroi sur le premier mètre, suivi par l’apparition de bouchons axisymétriques. Si les bouchons de paroi n’occupent pas toute la section des tubes et affectent donc peu le mélange particulaire, il n’en est pas le cas pour les bouchons axisymétriques qui dégradent fortement le transfert thermique en réduisant le mélange axial et radial des particules, et en exposant directement un volume gazeux à la paroi.La mécanique des fluides numérique s’impose comme un outil pertinent pour mieux comprendre ces régimes d’écoulement, et évaluer des stratégies d’atténuation du phénomène de pistonnage axisymétrique. Des simulations tridimensionnelles Euler-Euler ont été réalisées avec le code de calcul neptune_cfd et comparées à plusieurs campagnes expérimentales des partenaires du projet (à froid et à chaud, en conditions réelles d’irradiation solaire).La simulation numérique de particules industrielles de classe A s’est révélée particulièrement complexe, à la fois en raison des propriétés intrinsèques de la poudre (large distribution granulométrique et forte non-sphéricité) et du besoin de maillages ultra-raffinés pour résoudre les plus petites échelles de l’écoulement, indispensables à la capture des effets mésoscopiques (bullage et pistonnage).Les écarts avec l’expérience ont été caractérisées et ont permis de mettre en évidence des priorités pour l’amélioration des modèles, notamment un meilleur traitement des contraintes frictionnelles et des interactions particulaires aux temps longs.Afin de contourner les limites en termes de ressources de calcul pour les études à l’échelle pilote, un modèle de sous-maille de première génération a été implémenté et validé, en l’étendant aux régimes d’écoulement observés dans les tubes étroits.Ce modèle a ensuite permis d’évaluer des géométries internes de tubes capables de supprimer le phénomène de pistonnage axisymétriques dans les tubes longs. Enfin, la simulation conjuguée de l’hydrodynamique et des transferts de chaleur dans la suspension via neptune_cfd a été couplée au code thermique solide syrthes, permettant de simuler la conduction dans les parois du tube. Ces simulations ont permis d’étudier sous des profils d’irradiation solaire réalistes l’influence de géométries internes complexes, tels que des ailettes, sur l’échange thermique paroi-lit et sur le rendement global du récepteur.