Couplage de la convection naturelle et du rayonnement dans les mélanges gazeux absorbants-émettants

The coupled natural convection-radiation in gazeous mixtures absorbing-emitting

• Auteur / Autrice : Adel Ibrahim
• Direction : Denis Lemonnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie, thermique, combustion
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aéronautique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de masse

Turbulence

Chaleur -- Convection

Transfert radiatif

Résumé

Le travail mené dans le cadre de cette thèse porte sur l'étude de l'impact du rayonnement sur l'écoulement de convection naturelle dans une cavité contenant un mélange gazeux binaire dont un des composants rayonne dans l'infrarouge. Dans le premier chapitre, nous présentons les méthodes numériques utilisées. Elles s'appuient sur un modèle de rayonnement fondé sur la méthode des ordonnées discrètes (pour résoudre l'équation de transfert radiatif dans des conditions spectrales données) et le modèle SLW pour prendre en compte le spectre réel d'absorption du gaz tout en restant dans une approche compacte. Le module radiatif ainsi développé a été implémenté dans le code CFD AQUILON du laboratoire TREFLE (Bordeaux). Dans le deuxième chapitre, l'étude porte sur l'effet du rayonnement en convection de double diffusion dans une cavité contenant des mélanges air-CO2 ou air-H2O. Ici, l'air est traité comme gaz parfaitement transparent dans l'infrarouge et le polluant (CO2 ou H2O) est l'espèce absorbante. L'écoulement obtenu est généré par les forces de poussées d'Archimède lorsque le fluide est soumis simultanément à des variations de température et de concentration. Dans cette configuration, il existe un couplage direct entre les champs thermique et massique à travers les propriétés radiatives de mélange. En effet, les variations de concentration de l'espèce absorbante (CO2 ou H2O) modifient localement les propriétés d'émission-absorption du fluide et, par conséquent, influencent les sources et les flux d'origine radiative. Ce nouveau type de couplage induit un changement radical de la dynamique de l'écoulement et des transferts associés, notamment en affectant les conditions de stabilité. On montre en particulier que, dans les cas opposants, le rayonnement du gaz favorise le maintien d'instabilités thermosolutales, empêchant l'établissement d'une solution stationnaire. Dans le troisième chapitre, nous nous sommes intéressés à l'effet du rayonnement sur la convection naturelle turbulente dans une cavité remplie d'air à 50% d'humidité (cas représentatif d'une pièce d'habitation, par exemple). Il est tenu compte de la participation radiative de la vapeur d’eau. Les équations de conservation du mouvement et de l'énergie ont été traitées en régime turbulent par une approche LES, à un nombre de Rayleigh de l'ordre de 1,5×10(9). On montre que, même si la fraction molaire de gaz absorbant est faible (xH20 = 0,0115), le rayonnement de gaz influe sur la thermique et la dynamique de l'écoulement en particulier lorsque les dimensions de la cavité deviennent grandes. En particulier, la stratification thermique au centre de la cavité est atténuée.

This work deals with the impact of the gas radiation on the natural convection flow in asquare cavity containing a binary gaseous mixture where at least one component radiates in the infrared. In the first chapter, we present the numerical methods thus developed and used in the calculation. They rely on a model of radiation based on the discrete ordinate method (for solving the equation of radiative transfer in given spectral conditions) and model SLW to take into account the real gas absorption spectrum. This radiative module has been implemented in the CFD AQUILON code developed in the laboratory TREFLE (Bordeaux-France). In the second chapter, we investigate the effect of the gas radiation on the laminar transient double diffusive convection flow in a cavity containing mixtures of air-CO2 or H2O. The air is treated here as a fully transparent gas for infrared radiation and the pollutant (CO2 or H2O) is the absorbing species. The resulting flow is generated by Archimedean forces when the fluid is subjected simultaneously to temperature and concentration changes. In this configuration, there is a direct coupling between heat and mass fields through the radiative properties of mixture. Indeed, the variations in concentration of the absorbing species (CO2 or H2O) modify locally the emissionabsorption properties of the fluid and therefore influence sources and fluxes of radiative origin. This new type of coupling induces a radical change in the dynamic flow and the associated transfers affecting the stability’s flow conditions. It shows in particular that, in opposite configuration, gas radiation promotes the maintenance of thermosolutale instability which is preventing the establishment of a stationary solution. In the third chapter, we are interested in the effect of the radiative contribution of water vapour on the turbulent convection in a cavity filled with humid-air (a representative case of a building piece, for example). The equations of momentum and energy conservation have been treated in turbulent regime by LES approach for a Rayleigh number of the order of 1. 5 × 10(9). It shows that even if the mole fraction of acquiring gas is low (xH20 = 0. 0115), the gas radiation affects heat and dynamic of the flow when the cavity’s dimensions become large. In particular, the thermal stratification in the center of the cavity is mitigated.