Study of electrogenerated two-phase and microfluidic flows - Ecole Nationale d'Ingénieurs de Brest Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Study of electrogenerated two-phase and microfluidic flows

Étude des écoulements diphasiques et microfluidiques électrogénérés

Florent Struyven
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1258906
  • IdRef : 269994939

Résumé

Hydrogen is an essential energy carrier for a successful ecological and energy transition. However, most hydrogen is produced by cracking hydrocarbons of fossil origin. Only 1\% of the hydrogen currently produced comes from the electrolysis of water. Hydrogen from electrolysis is too expensive to produce. The objective of this thesis is to study electrogenerated bubbles in order to identify microfluidic aspects that could contribute to the improvement of water electrolysis. Bubbles act as an electrical insulator. By covering the electrode, they reduce the efficiency of electrolysis. Therefore, once they nucleate, they must quickly detach from the electrode. There is currently no consensus on the phenomena influencing the growth and detachment of bubbles at the microfluidic scale. Among others, there are still many uncertainties on how the wettability of the electrodes, and the Marangoni effect of thermal or solutal origin influence the nucleation, growth and detachment of bubbles. To this end, the mathematical and numerical basis for the simulation of a two-phase fluid was reviewed. In order to study such a phenomenon numerically, it is necessary to be able to simulate the surface tension variations along a liquid-gas interface, to integrate the mass transfer across the interface from the dissolved species present in the electrolyte to the gas phase, and to take into account the moving contact line. The use of the continuous surface force (CSF) model in the volume of fluid (VOF) framework is known to introduce non-physical velocities, called parasitic currents. The use of an alternative model based on the height function (HF) approach has been developed and tested. Its use limits the spurious currents and makes the VOF methodology suitable for the study of Marangoni currents at the interface of an electrogenerated bubble. A correlation for determining the growth rate of a bubble by integrating the Marangoni currents and based on the penetration theory was developed and compared to the Epstein-Plesset relation. A dimensionless study was conducted to relate the Sherwood number representing interfacial mass transfer to the Marangoni number. There are too many unknowns to draw definitive conclusions. However, the implementation of a contact line model in the numerical model could remove many uncertainties. The work done in this thesis to develop a holistic model is a first step towards using an inverse problem to determine the unknowns that need to be removed to optimise bubble detachment.
L'hydrogène est un vecteur énergétique essentiel pour réussir la transition écologique et énergétique. Cependant, la majeure partie de l'hydrogène est produite par le craquage d'hydrocarbures d'origine fossile. Seul 1\% de l'hydrogène actuellement produit provient de l'électrolyse de l'eau. L'hydrogène issu de l'électrolyse est trop cher à produire. L'objectif de cette thèse est d'étudier les bulles électrogénérées afin d'identifier les aspects microfluidiques qui pourraient contribuer à l'amélioration de l'électrolyse de l'eau. Les bulles agissent comme un isolant électrique. En recouvrant l'électrode, elles réduisent l'efficacité de l'électrolyse. Par conséquent, après leur nucléation, elles doivent se détacher rapidement de l'électrode. Il n'existe actuellement aucun consensus sur les phénomènes influençant la croissance et le détachement des bulles à l'échelle microfluidique. Entre autres, il existe encore de nombreuses incertitudes sur la façon dont la mouillabilité des électrodes, et l'effet Marangoni d'origine thermique ou solutale influencent la nucléation, la croissance et le détachement des bulles. Dans ce but, les bases mathématiques et numériques nécessaires à la simulation d'un fluide diphasique ont été passées en revue. Afin d'étudier numériquement un tel phénomène, il est nécessaire de pouvoir simuler les variations de tension superficielle le long d'une interface liquide-gaz, d'intégrer le transfert de masse à travers l'interface des espèces dissoutes présentes dans l'électrolyte vers la phase gazeuse, et de prendre en compte la ligne de contact mobile. L'utilisation d'un modèle CSF (continuum surface force) dans le cadre du VOF (Volume of fluid) est connue pour introduire des vitesses non physiques, appelées courants parasites. L'utilisation d'un modèle alternatif basé sur l'approche des fonctions de hauteur a été développée et testée. Son utilisation limite les courants parasites et rend la méthodologie VOF adaptée à l'étude des courants de Marangoni à l'interface d'une bulle électrogénérée. Une corrélation permettant de déterminer le taux de croissance d'une bulle en intégrant les courants de Marangoni et basée sur la théorie de la pénétration a été développée et comparée à la relation de Epstein-Plesset. Une étude sans dimension a été menée pour relier le nombre de Sherwood représentant le transfert de masse interfacial au nombre de Marangoni. Il y a trop d'inconnues pour tirer des conclusions définitives. Cependant, l'implémentation d'un modèle de ligne de contact dans le modèle numérique pourrait lever de nombreuses incertitudes. Le travail effectué dans cette thèse pour développer un modèle holistique est un premier pas vers l'utilisation d'un problème inverse pour déterminer les inconnues à lever pour optimiser le détachement des bulles
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04115831 , version 1 (02-06-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04115831 , version 1

Citer

Florent Struyven. Study of electrogenerated two-phase and microfluidic flows. Fluid mechanics [physics.class-ph]. Université de Bretagne Sud; University of Canterbury (Nouvelle-Zélande), 2022. English. ⟨NNT : 2022LORIS647⟩. ⟨tel-04115831⟩
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