Code_Aster ®
Version
8.2
Titre :
WTNV127 Désaturation d'un milieu poreux sans air (3D)
Date :
04/05/06
Auteur(s) :
S. GRANET Clé
:
V7.31.127-B Page :
1/8
Organisme(s) : EDF-R&D/AMA
Manuel de Validation
Fascicule V7.31: Thermo-hydro-mécanique en milieu poreux de structures volumiques
Document : V7.31.127
WTNV127 Désaturation d'un milieu poreux sans
air (modélisation 3D_THV)
Résumé :
On chauffe un milieu poreux dont les pores sont remplis d'un mélange d'eau et de vapeur d'eau. La saturation
initiale en liquide est de 50%, le chargement est un flux thermique uniforme sur les bords du domaine. La
modélisation faite par un seul élément cubique correspond à la modélisation d'un problème homogène en
espace.
La solution de référence est une solution analytique approchée.
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Fascicule V7.31 : Thermo-hydro-mécanique en milieu poreux de structures volumiques
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1
Problème de référence
1.1 Géométrie
H
G
D
C
E
F
A B
Coordonnées des points (m) :
A
0
0
100
E
0
0
0
B 100
0 100 F 100
0 0
C 100 100 100 G 100 100 0
D
0 100 100 H
0 100 0
1.2
Propriétés du matériau
On ne donne ici que les propriétés dont la solution dépend, sachant que le fichier de commandes
contient d'autres données de matériau (modules d'élasticité, conductivité thermique ...) qui finalement
ne jouent aucun rôle dans la solution du problème traité.
Eau liquide
Masse volumique (kg.m-3)
103
Chaleur à pression constante (J.K-1)
4180
coefficient de dilatation thermique du liquide (K-1) 0.
Vapeur
Capacité calorifique (J.K-1)
1900
Enthalpie initiale (chaleur latente de vaporisation) 2,5E6.
Masse molaire(kg.mol-1)
0,018
Squelette
Capacité calorifique à contrainte constante(J.K-1) 1050
Etat initial
Porosité
0,3
Température (K)
300
Pression de liquide (Pa)
1E5
Pression de vapeur (Pa)
3700
Saturation initiale en liquide
0,5
Constantes
Constante des gaz parfaits
8,315
Coefficients
Masse volumique homogénéisée (kg.m-3)
2200
homogénéisés Isotherme de sorption
S(
=
- -
-
-
c
P )
12
0 5
.
10
(
0
0
c
P
vp
P
c
P )
Avec 0 = 3700
vp
P
0
5
= 10
-
c
P
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1.3
Conditions aux limites et chargements
Sur toutes les faces :
Flux thermique
6
q .n = 10
ext
Flux hydraulique nul
2
Solution de référence
2.1
Méthode de calcul
2.1.1 Calcul de la pression de vapeur à partir de la température
Nous supposons la courbe de saturation linéaire. Elle s'écrit donc :
S = S + S
0
cP
éq
2.1.1-1
[R7.01.11] équation [éq 3.2.1-2] donnent alors :
m
=
-0 0 0
lq
lq S
c
P
lq
Slq
éq
2.1.1-2
m
= - 0 0 1-
-
0
0 0
vp
( vp vp) ( S ) S vp
c
P
On écrit que la masse totale d'eau est conservée (car il n'y a pas de flux d'eau au bord) et on obtient :
m + m = 0
lq
vp
(
éq
2.1.1-3
-
lq
vp )S
P +
c
(
0
-
vp
vp )(1- S0 ) = 0
[R7.01.11] équation [éq 4.4-1] donne par ailleurs
p
ol
vp M
=
vp
1
ln
P +
0
p
RT
lq
vp
lq
éq
2.1.1-4
M ol
vp (
ol
0
M
0
h - 0
h
vp
lq ) 1
1
vp
p
p
T
T
- +
(C -C
vp
lq )
0
ln
+
-
0
1
R
T
T
R
T T
Le couplage des équations [éq 2.1.1-3] et [éq 2.1.1-4], auquel il faut ajouter l'équation des gaz parfaits
pour la vapeur, est un système fortement non linéaire que nous résoudrons en petite perturbation, ce
qui permet de le linéariser.
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Tous calculs faits, on obtient :
ol
ol
1 S M
M
Pvp ( - 0
lq
vp )
( - 0)
vp
S +
- ( - 0
lq
vp )
S
vp
T
P
1 S p
0
=
lq
(
0 ) 0
-
vp
2
RT
R
0
T
éq 2.1.1-5
P
M ol
M ol
vp -
vp
P =
vp
lq
( 0h - 0h
vp
lq ) T
0
0
2
p
RT
R
0
vp
lq
T
2.1.2 Calcul de la température
[R7.01.11] équation [éq 3.2.4.3-1] donne :
Q
m
= - T p
+ C0
3
T
gz
vp
éq
2.1.2-1
(puisque les autres coefficients de dilatation sont nuls).
Equation [éq 3.2.4.3-2] donne :
1-
m
( Slq)
=
gz
éq
2.1.2-2
T
3
On obtient donc :
Q
= - (
- S
+ 0
1
lq ) p
C T
vp
éq
2.1.2-3
Dans ce problème, Q
n'est rien d'autre que la chaleur apportée par unité de volume.
En appelant Vol le volume total de la pièce et Surf sa surface latérale et t
le temps d'application
des flux :
Surf
Q
= t
q
n
.
ext
éq
2.1.2-4
Vol
2.1.3 Système à résoudre
1-
ol
S M
ol
M
( - 0
lq
vp )
(
0 )
vp
S +
- ( - 0
lq
vp )
vp
S
S p
0
-(1- 0) 0
vp
2
0
RT
RT
P
0
ol
ol
0
0
vp
1
M vp
M vp (h -
vp
lq
h )
-
-
lq
P =
0
0
0
2
p
RT
R
0
vp
lq
T
Surf
T
t
q
n
.
0
- (
1- S
C
Vol
lq )
0
ext
éq 2.1.2-5
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2.2
Résultats de référence
On donne la valeur de la température, de la pression de liquide et de la pression de vapeur, solution
du système (10) avec les données résumées au paragraphe [§1.2] et rappelées ci dessous. Pour le
calcul des capacités calorifiques, on utilise les relations suivantes :
( 0
1- )
0
0 0
=
-
- -
s
0
r
lq Sl
( 0
1 Sl ) 0 0vp
C 0 =
(1- )
s
p
+
+ 1-
sC
lq Sl C
S
C
lq
(
l )
p
vp
vp
0
0
C = C , cette dernière relation étant vraie parce que le coefficient de dilatation des grains est nul.
S
0
S
0
T
0
p
vp
0
vp
h
0
vp (calculé)
lq
5,00E-01 -1,00E-12 3,00E+02
3,70E+03
2,50E+06
2,67E-02 1,00E+03
0
r
0
s (calculé)
s
C
p
C
C
C
lq l
p
vp
0
(calculé)
2,20E+03 3,00E-01 2,93E+03
1,05E+03
4,18E+03
1,90E+03 2,78E+06
q
n
.
ext
t
Surf
Vol
1,00E+06 100
6,00E+04
1,00E+06
Après résolution, on obtient les résultats suivants :
vp
P
425
lq
P l
-1,4E+06
T
2E+00
2.3 Incertitudes
Les incertitudes sont assez grandes parce que la solution analytique est une solution approchée du
fait de la linéarisation des équations.
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3 Modélisation
A
3.1
Caractéristiques de la modélisation A
Modélisation en déformations planes. Un élément Q8.
3.2 Fonctionnalités
testées
Commande Option
AFFE_MODELE
3D_THVD
DEFI_MATERIAU
THM_LIQU
THM_DIFFU
THM_INIT
ELAS
AFFE_CHAR_MECA DDL_IMPO PRE1
TEMP
STAT_NON_LINE COMP_INCR
RELATION KIT_THV
RELATION_KIT
LIQU_VAPE
HYDR_UTIL
Discrétisation en temps : un seul pas de temps : 102 s.
3.3 Valeurs
testées
Noeud
Type de valeur
Instant (s)
Référence
Aster Différence
(%)
(analytique)
NO1
DEPL/TEMP
102 2 2,15 8%
NO1
DEPL/PRE1
102 -1,4
106 -1,46
106 4%
NO1
VARI_ELNO_ELGA/V3
102 425 460
8%
On trouve donc des résultats relativement proches des résultats analytiques. L'incertitude demeurant
assez large du fait de la linéarisation des équations.
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4 Modélisation
B
Même modélisation mais en sélective.
4.1
Caractéristiques de la modélisation B
Modélisation en déformations planes. Un élément Q8
4.2 Fonctionnalités
testées
Commande
Option
AFFE_MODELE
3D_THVS
DEFI_MATERIAU
THM_LIQU
THM_DIFFU
THM_INIT
ELAS
AFFE_CHAR_MECA DDL_IMPO PRE1
TEMP
STAT_NON_LINE COMP_INCR
RELATION KIT_THV
RELATION_KIT
LIQU_VAPE
HYDR_UTIL
Discrétisation en temps : un seul pas de temps : 102 s.
4.3 Valeurs
testées
Noeud
Type de valeur
Instant (s)
Référence
Aster Différence
(analytique)
(%)
NO1
DEPL/TEMP
102 2
2,15 8%
NO1
DEPL/PRE1
102 -1,4
106 -1,46
106 4%
NO1
VARI_ELNO_ELGA/V3
102 425
460
8%
On trouve donc des résultats relativement proches des résultats analytiques. L'incertitude demeurant
assez large du fait de la linéarisation des équations.
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