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Lambert Marc-Antoine

La thèse soutenue par "Lambert Marc-Antoine"

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  • Contribution à l'étude des écoulements dans les tuyères soniques cylindriques    - Lambert Marc-Antoine  -  18 décembre 2020

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    Au cours des 20 dernières années, la production de gaz naturel a augmenté de plus de 70 % dans le monde. Cela implique qu’à toutes les étapes du transport, des comptages précis soient opérés. L’élargissement du domaine des pressions, pouvant atteindre 70 bar, conduit à des nombres de Reynolds (Re) supérieur à 107, dépassant ainsi les seuils définis par la norme ISO9300. Les opérations nécessitent des incertitudes de mesures inférieures à 0,1 % ce qui, en l’absence de référence pour les Re élevés, est quasiment impossible à tenir dans l’état des connaissances actuelles. La méthode pour l'étalonnage des débitmètres consiste à utiliser des tuyères en régime d'écoulement critique (CFVN). Leur utilisation est le cœur d’activité du laboratoire de Cesame-Exadébit (LNE-LADG) qui est détenteur de l'étalon de débit national. L’un de ces objectifs est l’amélioration constante de l’incertitude de mesure du débit de gaz. Ce travail de thèse vise à contribuer à la compréhension du comportement des écoulements au sein de telles tuyères afin de pouvoir étendre leur utilisation à des gammes plus élevées de Re. Dans un premier temps, l’étude bibliographique a permis d’établir un état complet des connaissances des écoulements dans les tuyères à géométrie cylindrique et des coefficients de décharge (Cd) associés pour les régimes d’utilisation rencontrés en pratique. Pour les régimes à bas Re, déjà bien étudiés, la majorité des études convergent, ce qui a permis d’établir des courbes semi-empiriques d’évolution du Cd. Pour les haut-Re, aucune loi empirique ne permet de décrire la dépendance aux états de surface Dix tuyères cylindriques ont été usinées avec pour chaque diamètre, des niveaux de rugosité (Ra) différents qui ont été caractérisés par des mesures d'état de surface. Chaque pièce a été étalonnée à l'aide des installations de Cesame-Exadébit au moyen de la méthode primaire (pVT,t) donnant l'accès à une large gamme de Re avec des incertitudes de 0,1 %. L'ensemble des résultats expérimentaux obtenus a été comparé à la base de données du laboratoire ainsi qu'aux mesures de la littérature scientifique. Pour Re>106, le Cd atteint une valeur plateau dont la valeur dépend de la rugosité. Cette tendance a été confirmée par des mesures comparatives réalisées dans les installations à haute pression de la PTB. Le modèle empirique élaboré permet de décrire la valeur asymptotique du Cd avec un coefficient Cd, similaire à la rugosité relative bien connue pour les études en guide (Colebrook), et fortement corrélé à la valeur expérimentale du paramètre Ra/d, mesuré dans la partie cylindrique. La seconde partie du travail de thèse est dédiée à la définition et la mise en œuvre d’une stratégie numérique, pouvant permettre de caractériser l’évolution de la structure de l’écoulement et d’identifier les phénomènes physiques, pouvant piloter l’évolution non-monotone du Cd en fonction du Re. Le choix se porte sur OpenFoam pour réaliser des simulations numériques. L'outil est éprouvé dans un premier temps par une confrontation à des cas de référence. Une stratégie numérique adaptée au cas des tuyères en géométrie cylindrique est ensuite proposée. Les résultats numériques montrent l'évolution du Cd dans une tuyère cylindrique qui est comparée, sous différentes conditions initiales, aux mesures expérimentales dans l’ensemble de la gamme des Re. Cette évolution est analysée au regard de la variation de la structure de l’écoulement au col en fonction des conditions amont.

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