Stabilized finite element method for heat transfer and turbulent flows inside industrial furnaces

par Elie Hachem

Thèse de doctorat en Mécanique numérique

Sous la direction de Thierry Coupez et de Elisabeth Causse-Massoni.

Soutenue en 2009

à Paris, ENMP .

  • Titre traduit

    Méthode d'éléments finis stabilisée pour la résolution de transferts thermiques et d'écoulements turbulents dans les fours industriels


  • Résumé

    La connaissance du comportement thermique des fours et des pièces est un problème difficile et cependant essentiel dans les thématiques de recherche industrielles actuelles. L'industrie cherche à se doter de moyens numériques de plus en plus efficaces tout en réduisant sans cesse le temps de calcul afin de modéliser des pièces et des assemblages de plus en plus réalistes. Les cinétiques de chauffe ainsi que la distribution de la température dans l'enceinte et dans les pièces traitées doivent également être maîtrisées, afin d'améliorer la qualité des produits chauffées en terme de résistance et dureté. Le travail présenté dans cette thèse porte donc sur le développement de méthodes de résolution numérique pour la simulation du transfert thermique. Ces méthodes permettent le calcul couplé de la température des pièces avec l'environnement du four afin d'optimiser la géométrie de ces pièces, leur position dans le four mais également les conditions initiales de chauffe. Le calcul de dynamique des fluides (CFD) peut être considéré comme un puissant outil technique de prédiction de l'écoulement des fluides et du transfert thermique dans des cas industriels réalistes. La première partie de la thèse porte sur l'étude de schémas numériques avancés relatifs aux méthodes éléments finis stabilisés. Ces méthodes de calculs efficaces ont étaient utilisées pour simuler des écoulements instationnaires et des transferts thermiques conjugués. Par la suite, deux modèles de turbulence (modèle k-epsilon et modèle Large Eddy Simulation) sont introduits et utilisés pour prendre en compte les écoulements complexes et turbulents dans l'enceinte du four. Le transfert radiatif est assuré par la résolution du modèle P1 tout en calculant un terme source volumique qui sera intégré dans l'équation de la chaleur. La deuxième partie de cette thèse se consacre à la mise en place d'une méthodologie de discrétisation robuste qui permet aux utilisateurs de générer de fac��on entièrement automatique un seul maillage. Ce maillage contient à la fois des domaines axés sur la résolution d'un problème fluide (air, eau, …) mais également solides spécifiques aux structures, et ce quel que soit le niveau de détail et donc de complexité du cas étudié. Cette approche, connue sous le nom d' « immersion de volume », garantit un maillage anisotrope précis aux interfaces fluide-solide afin de capturer plus précisément les gradients thermiques et la forte discontinuité des propriétés physiques. Cette méthode offre donc une grande flexibilité dans la mise en données du problème mixte fluide-structure et aussi dans la prise en compte de plusieurs géométries (four, pièces, supports) et elle est également bien adaptée aux solveurs thermomécaniques développés


  • Résumé

    The development of efficient methods to understand and simulate conjugate heat transfer for multi-components systems appears in numerous engineering applications and still a need for industrials, especially in the case of the heat treatment of high-alloy steel by a continuously heating process inside industrial furnaces. The thermal history of the load and the temperature distribution in the furnace are critical for the final microstructure and the mechanical properties of the treated workpieces and can directly determined their final quality in terms of hardness, toughness and resistance. The main objectives of this thesis is then to understand and better model the heat treatment process at the same time in the furnace chamber and within the workpieces under specified furnace geometry, thermal schedule, parts loading design, initial operation conditions, and performance requirements. The Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation provides a useful tool to predict the temperature evolution and such processes. In the first part of this work, various stabilized finite element methods required for computing the conjugate heat transfer and the incompressible flows are proposed and analyzed. Two turbulence models, the k-epsilon and the Large Eddy Simulations (LES) models were introduced and used to simulate and take into account the complex turbulent flows inside the furnace chamber. The effect of thermal radiation was appropriately accounted for by means of a volumetric model known as the P1-model. In the latter part of this work, a multidomain approach referred as the immersed volume method (IVM) is introduced and applied to treat the fluid-solid interactions. It is based on the use of an adaptive anisotropic local grid refinement by means of the level-set function to well capture the sharp discontinuities of the fluid-solid interface. The proposed method showed that it is well suited to treat simultaneously the three modes, convective, conductive and radiative heat transfer that may interfere in both the fluid part and the solid part using anisotropic finite element meshes

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  • Détails : 1 vol. (326 p.)
  • Annexes : Bibliographie 283 réf.

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