Transfert de chaleur couplé conduction-convection-radiation utilisant des méthodes sans maillage : application à un échangeur de chaleur poreux

Coupled Conduction-Convection-Radiation heat transfer using Mesh-less methods : Application to porous heat exchanger

• Auteur / Autrice : Raj Narayan Konduru
• Direction : Gilles Parent, Olivier Farges
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie et mécanique
• Date : Soutenance le 29/11/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Energies et Mécanique Théorique et Appliquée
• Jury : Président / Présidente : Benoit Rousseau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Parent, Olivier Farges, Jaona Harifidy Randrianalisoa, Franck Enguehard, Mouna El Hafi, Sophia Haussener
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jaona Harifidy Randrianalisoa, Franck Enguehard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Échangeurs de chaleur

Monte-Carlo, Méthode de

Modèles mathématiques

Chaleur -- Récupération

Mousses métalliques

Ressources énergétiques -- Recherche

Transfert de chaleur

Mots clés libres

Transfert de chaleur couplé

Efficacité énergétique

Mousses métalliques

Récupération de la chaleur perdue

Smoothed particle hydrodynamics

Méthode Monte Carlo

Coupled heat transfer

Energy efficiency

Metallic foams

Waste heat recovery

Smoothed particle hydrodynamics

Monte carlo method

Résumé

Cette recherche se concentre sur la récupération de chaleur dans les industries fonctionnant à haute température, telles que la métallurgie, la sidérurgie, le ciment et la production de verre, dans le dessein de diminuer les rejets de gaz à effet de serre. Une approche efficace consiste à incorporer une structure poreuse dans l'échangeur de chaleur afin d'améliorer les taux de transfert de chaleur tout en minimisant les pertes de charge. Dans un premier temps, des expériences ont été menées avec des échangeurs de chaleur poreux dotés de structures ressemblant à de la mousse à cellules de Kelvin. Le dispositif expérimental consistait à placer la mousse à l'intérieur d'un tube et à la soumettre à des températures élevées allant jusqu'à 800°C dans le sens radial, tandis que de l'air circulait dans le sens axial. Ce dispositif englobait les phénomènes physiques de conduction, de convection et de rayonnement couplés. Les résultats de ces expériences ont ensuite été utilisés pour valider un modèle numérique utilisant une approche déterministe, constituant ainsi l'étape fondamentale du projet. Toutefois, ces méthodes se sont heurtées à des difficultés dans la conduite d'analyses complètes, compte tenu des différents types de mousse, des propriétés géométriques distinctes et des attributs thermophysiques des matériaux qui influencent les performances de l'échangeur de chaleur en raison de la complexité de sa structure. En outre, l'interaction de la conduction, de la convection et du rayonnement avec les structures complexes de la mousse a exigé des ressources de calcul considérables. Par conséquent, une alternative à la méthode déterministe (DM) a été recherchée, ce qui a conduit à l'exploration de méthodes sans maillage. Le modèle numérique DM validé sert de référence pour les modèles alternatifs, deux modèles ayant été adoptés/développés. Le premier modèle, connu sous le nom de méthode Semi Meshless (SMM) ou DM-MCM, fusionne l'approche déterministe avec la méthode statistique de Monte Carlo. Dans ce modèle, l'approche déterministe calcule efficacement les champs de vitesse, tandis que la méthode de Monte Carlo détermine les distributions locales de température. Cette combinaison s'avère efficace et robuste pour les géométries complexes. Néanmoins, le premier modèle conserve une limitation dans le calcul des champs d'écoulement en utilisant l'approche déterministe, ce qui a conduit à la conception d'un second modèle innovant. Le second modèle, appelé SPH-MCM, utilise smoothed particle hydrodynamics (SPH) pour surmonter les limites des approximations basées sur un maillage lors du calcul des champs d'écoulement. L'approche SPH élimine le besoin d'un maillage encombrant, ce qui permet de calculer plus efficacement les champs de vitesse. Ces champs sont ensuite utilisés pour calculer les distributions de température à l'aide de la méthode de Monte Carlo. Le principal avantage de ce modèle réside dans le fait qu'il repose sur un maillage de surface et des points, au lieu de géométries solides et d'un maillage de volume. Cependant, la méthode SPH nécessite un temps de calcul plus long que l'approche déterministe. Les deux modèles alternatifs présentent un niveau élevé de concordance avec le modèle déterministe, ce qui souligne leur potentiel pour faire progresser la conception des échangeurs de chaleur. Le premier modèle est utilisé pour une analyse paramétrique complète visant à étudier la puissance extraite et la chute de pression pour différentes structures poreuses dans la configuration de l'échangeur de chaleur.

This research concentrates on heat recovery in industries operating at high temperatures, such as metallurgy, iron and steel, cement, and glass production, with the goal of mitigating greenhouse gas emissions. An effective approach involves incorporating a porous structure within the heat exchanger to enhance heat transfer rates while minimizing pressure drops. Initially, experiments were conducted using porous heat exchangers with Kelvin cell foam structures. The experimental setup involved placing the foam inside a tube and subjecting it to high temperatures of up to SI{800}{degreeCelsius} radially, while air was flown axially. This arrangement encompassed the physical phenomena of coupled conduction, convection, and radiation. The results of these experiments were subsequently employed to validate a numerical model utilizing a deterministic approach, forming the foundational step of the project. However, these methods encountered challenges in conducting comprehensive analyses, considering various foam types, distinct geometric properties, and thermophysical material attributes that influence heat exchanger performance due to the intricate structure. Moreover, the interplay of conduction, convection, and radiation along with complex foam structures demanded substantial computational resources. Consequently, an alternative to the deterministic method (DM) was sought, leading to the exploration of mesh-free methods. The validated DM numerical model serves as a reference for the alternative models, with two models being adopted/developed. The first model, known as Semi Meshless Method (SMM) or DM-MCM, merges the deterministic approach with the statistical Monte Carlo Method. In this model, the deterministic approach efficiently calculates velocity fields, while the Monte Carlo method determines local temperature distributions. This combination proves effective and robust for complex geometries. Nevertheless, the first model retains a limitation in calculating flow fields using the deterministic approach, prompting the design of a second innovative model. The second model, referred to as SPH-MCM, utilizes smoothed particle hydrodynamics (SPH) to overcome the limitations of grid-based approximations when computing flow fields. SPH eliminates the need for a complicated mesh, facilitating more efficient velocity field calculations. These fields are then employed to compute temperature distributions using the Monte Carlo method. The primary advantage of this model lies in its reliance on a surface mesh and points, instead of solid geometries and a volume mesh. However, the SPH method requires a longer computation time compared to the deterministic approach. Both alternative models exhibit a high level of agreement with the deterministic model, highlighting their potential to advance heat exchanger design. The first model is employed for a comprehensive parametric analysis aimed at studying the power extracted and pressure drop for different porous structure's in the heat exchanger configuration.