Influence des transferts radiatifs sur les écoulements de convection naturelle en régime turbulent, dans des ambiances habitables

Radiative transfer influence on turbulent natural convection flows in indoor environment

• Auteur / Autrice : Maxime Delort-Laval
• Direction : Anouar Soufiani, Laurent Soucasse, Philippe Rivière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 05/07/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Boulet, Anne Sergent, Shihe Xin, Samira Kherrouf, Didier Saury
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Boulet, Anne Sergent

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement thermique

Simulation des grandes échelles

Convection de Rayleigh-Bénard

Simulation numérique directe

Mots clés libres

DNS

Convection naturelle

Rayonnement

SVV

Habitat

DNS

Natural convection

Radiation

SVV

Habitation

Résumé

L'influence des transfert radiatifs sur les écoulements de convection naturelle turbulents est ici étudiée au moyen de simulations numériques. Dans un premier temps, la cavité cubique de Rayleigh-Bénard, configuration académique classique, est considérée. Des simulations numériques directes (DNS) pour des nombres de Rayleigh compris entre 1E3 et 1E9 sont entreprises au moyen d'une méthode spectrale de collocation pour résoudre la convection, couplée à une méthode de lancer de rayon pour les transferts radiatifs, utilisant le modèle ADF qui permet de tenir compte précisément des propriétés radiatives de gaz réels (en l'occurrence un mélange air/CO2/H2O). Un modèle de sous-maille radiative est également utilisé pour les plus hauts nombres de Rayleigh, afin de limiter le coût de résolution numérique du rayonnement.Le rayonnement a pour effet de retarder l'apparition du régime convectif aux bas nombres de Rayleigh, et d'augmenter l'énergie cinétique et le flux convectif une fois celui-ci établi. La taille de la cavité joue également un rôle important et accroît notablement les effets des transferts radiatifs, qui ont en outre une influence sur la structure de la circulation des grandes échelles dans la cavité et modifient son évolution avec le nombre de Rayleigh.Pour l'étude des plus hauts nombres de Rayleigh, le modèle de simulation aux grandes échelles Spectral Vanishing Viscosity (SVV) est implémenté et validé grâce aux résultats obtenus en DNS. L'utilisation de ce modèle permet de réaliser des simulations à Ra = 1E10.Des simulations sont ensuite entreprises à Ra = 1E9 pour des conditions de chauffage et refroidissement localisées sur des demi parois verticales de la cavité. Deux cas sont envisagés : la source chaude directement sous la source froide, ou alors positionnée sur la paroi opposée. Dans les deux cas, la prise en compte du rayonnement modifie considérablement la structure de l'écoulement, en augmentant la convection, et diminue fortement la stratification thermique.

Radiative transfer influence on turbulent natural convection is studied using numerical simulations. First, the classic Rayleigh-Bénard cubical cell is investigated. Direct Numerical Simulations (DNS) are carried from Ra = 1E3 to Ra = 1E9 using a Chebyshev spectral method for the flow and a ray-tracing method for the radiation field, coupled with the ADF model for precise description of the radiative properties of the real gaz (here, a mixture of air/CO2/H2O). For the highest Rayleigh numbers, a subgrid model is also used to reduce the computational time of radiative transfer.At low Rayleigh numbers, the onset of convection is delayed when radiation is taken into account but both kinetic energy and convective flux are increased once the convective regime is established. The size of the cavity has also a significant influence in enhancing the effects of radiative transfer. Furthermore, radiation has a strong impact on the large scale circulation of the flow and alters its evolution with the Rayleigh number.In order to study higher Rayleigh numbers, the Large Eddy Simulation model Spectral Vanishing Viscosity (SVV) is implemented and validated in comparison with the results previously obtained via DNS. Numerical simulations with the SVV model are then carried at Ra = 1E10.Other sets of boundary conditions are studied at Ra = 1E9: the hot and cold zones are located on vertical Half-walls of the cell. Two cases are studied: the hot zone under the cold one, or on the opposite wall. In each case, the structure of the flow is considerably modified when radiation is taken into account: convection is enhanced and thermal stratification is strongly reduced.