Simulation et modélisation des écoulements dans les récepteurs solaires à gaz sous-pression

Simulation and modeling of flows in gas-pressurized solar receivers

• Auteur / Autrice : Martin David
• Direction : Adrien Toutant, Françoise Bataille
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance le 26/11/2021
• Etablissement(s) : Perpignan
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (Perpignan)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Vincent, Cathy Castelain, Gilles Flamant
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Vincent, Cathy Castelain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Simulation des grandes échelles

Capteurs solaires

Turbulence

Mots clés libres

Approche multi-échelle

Énergie solaire

Simulation Numérique Directe

Simulation des Grandes Échelles

Corrélation de transfert de chaleur

Multi-scale approach

Solar energy

Direct Numerical Simulation

Large Eddy Simulation

Heat transfer correlation

Résumé

Le récepteur solaire est un élément clé des centrales à tour fonctionnant à gaz sous-pression. Il assure la conversion du rayonnement solaire concentré en chauffage du fluide caloporteur. L'écoulement au sein du récepteur est caractérisé par une turbulence intense, des hauts niveaux de température ainsi qu'un fort chauffage asymétrique du fluide. La géométrie académique du canal plan bi-périodique est choisie pour étudier la physique de l'écoulement. Les équations de Navier-Stokes sont résolues sous l'hypothèse des bas nombres de Mach. Une approche multi-échelle est menée et vise à fournir des informations et des outils qui faciliteront le développement industriel des centrales à tour. Les niveaux d'études correspondant à des descriptions détaillées renseignent les niveaux de description plus macroscopique. À l'échelle locale, des Simulatios Numériques Directes sont effectuées pour approfondir la compréhension des écoulements complexes rencontrés dans les récepteurs solaires. Les résultats mettent en évidence la présence de phénomènes caractéristiques des hauts nombres de Reynolds et d'un fort couplage entre la dynamique et la température. À l'échelle intermédiaire, des Simulations des Grandes Échelles sont menées. Les termes de sous-maille associés aux corrélations vitesse-vitesse et vitesse-masse volumique sont modélisés. Des tests a posteriori sont effectués par comparaison avec les résultats des Simulatios Numériques Directes dans trois conditions d'étude différentes. Pour chaque configuration, un grand nombre de modèles est évalué grâce à une approche globale puis quelques-uns sont sélectionnés pour des analyses plus approfondies. À l'échelle macroscopique, une corrélation permettant d'estimer les transferts de chaleur est développée grâce aux résultats des Simulations des Grandes Échelles. Elle comble un manque dans la littérature et permet, notamment, d'estimer le flux de chaleur dans des conditions de chauffage asymétrique. Cette corrélation est ensuite utilisée pour étudier la sensibilité des flux de chaleur pariétaux aux paramètres de l'écoulement.

The solar receiver is a key component of solar power towers operating with pressurized gas. It ensures the conversion of the concentrated solar radiation into fluid heating. The solar receiver flow is characterized by intense turbulence, high temperatures, and strong asymmetric fluid heating. The academic geometry of the bi-periodical channel is selected to investigate the flow physics. The Navier-Stokes equations are solved under the low Mach number hypothesis. A multi-scale approach is carried out and aims to produce information and tools that will aid the industrial development of solar power towers. The detailed levels of study feed the more macroscopic levels. At the local scale, Direct Numerical Simulations are performed to deepen the knowledge of the complex flows encountered in solar receivers. The results highlight the presence of high Reynolds number phenomena and the strong coupling between the dynamic and the temperature. At the intermediate scale, Large Eddy Simulations are achieved. The subgrid terms associated with the velocity-velocity and the velocity-density correlations are modeled. A posteriori tests are carried out in three different study conditions thanks to the results of the Direct Numerical Simulations. For each configuration, a large number of models is assessed thanks to a global approach then some are selected for more detailed analyzes. At the macroscopic scale, a heat transfer correlation is developed thanks to the results of Large Eddy Simulations. It fulfills a gap in the literature and permits, notably, estimating the heat fluxes in asymmetrical heating conditions. This correlation is then used to study the wall heat flux sensitivity to the flow parameters.