Modélisation des changements de phase sous COMSOL Multiphysics®

Mots-clés

Changement de phase, changement d’état, fusion, solidification, vaporisation, liquéfaction, sublimation, condensation, enthalpie, thermodynamique, diagramme pression-température, agroalimentaire, équilibre instationnaire
 

Contexte / Objectif

Le changement d’état thermodynamique d’un matériau est provoqué par une variation locale de pression, de volume ou de température. Ce changement s’accompagne d’un échange énergétique et se caractérise par une modification de la structure moléculaire du matériau considéré.

 

Les changements d’états sont très présents dans l’industrie :

  • Brassage électromagnétisme : Fusion d’une charge solide en liquide, puis solidification
  • Transport de matières sous forme solide : solidification et condensation pour minimiser les risques de fuite en cas de brèche lors du transport de conteneur,
  • Industrie agroalimentaire pour la cuisson des aliments, principalement évaporation,
  • Utilisation de matériaux intelligents pour le stockage d’énergie.

 

Pour toutes ces applications, il convient d’avoir une connaissance fine des champs locaux de pression et de température pour optimiser les échanges énergétiques. La modélisation de ces procédés est donc un outil de choix pour appréhender les phénomènes physiques sous-jacents, les quantifier et augmenter les rendements des procédés.

 

Le modèle proposé ici étudie les changements de phase Liquide/Solide/Gaz dus à des échanges thermiques entre le conteneur et son environnement. Deux phases fluides sont initialement présentes (gaz et liquide). En fonction du diagramme thermodynamique du matériau considéré, la phase solide peut apparaitre via une solidification du liquide ou une condensation du gaz.

  

 

Par souci de confidentialité, l’application du modèle proposé ci-dessous, ainsi que le nom du client ne sont pas dévoilés.

 

Réalisations de SIMTEC / Résultats

En amont, SIMTEC s’est rendu sur le site du CLIENT pour visiter ses installations. Une réflexion sur le modèle à développer a été menée conjointement. Le modèle numérique retenu permet de prendre en compte tous les changements de phase solide/liquide/gaz sans postuler d’aucune hypothèse. Ces changements de phase suivent le diagramme thermodynamique que l’utilisateur doit spécifier comme donnée d’entrée.

 

Ce modèle fait intervenir les phénomènes physiques suivants :

  • Echanges thermiques : conduction au sein des phases fluidiques (une approche par conductivité thermique équivalente a été retenue, pour diminuer la complexité de résolution lié à la convection), rayonnement vis-à-vis de l’extérieur, refroidissement du conteneur par convection naturelle. Les échanges énergétiques dus aux changements de phase (positifs ou négatifs) sont pris en compte via les enthalpies de changement d’état.
  • Approche multiphasique : méthode Arbitrary Lagrangien Eulerian (ALE) pour distinguer les phases fluides de la phase solide. Méthode de suivi d’interface pour distinguer les phases liquides entre elles. Ainsi, le niveau de liquide peut varier au cours de la simulation.

 


 

Ces travaux ont permis le développement d’un modèle, qui a été validé au regard de plusieurs résultats expérimentaux.

Après validation, ce modèle permet d’étudier l’influence du système de refroidissement sur la cinétique de solidification du matériau et de l’optimiser.