Thèse soutenue

Analyse expérimentale et modélisation multi-échelle du transfert de chaleur par convection dans les milieux poreux à l'appui des communautés de l'espace, du stockage de l'énergie et de la biomasse
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Auteur / Autrice : Shaolin Liu
Direction : Azita Ahmadi-SénichaultJean Lachaud
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mécanique des fluides (AM)
Date : Soutenance le 10/10/2023
Etablissement(s) : Paris, HESAM
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Paris, ENSAM
Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
Jury : Président / Présidente : Abdelaziz Omari
Examinateurs / Examinatrices : Azita Ahmadi-Sénichault, Jean Lachaud, Frédéric Topin, Bruno Dubroca, Michel Quintard, Victor Pozzobon, Francesco Panerai
Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Topin, Bruno Dubroca

Résumé

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La modélisation du transport dans les milieux poreux nécessite de tenir compte des aspects multi-échelles inhérents à la structure des milieux poreux. Les problèmes typiques à plusieurs échelles peuvent impliquer plusieurs échelles successives ou au moins deux échelles généralement appelées micro-échelle et macro-échelle. Plusieurs méthodologies basées sur l'analyse théorique ont été développées pour mettre à l'échelle les équations de transport de la micro-échelle pour obtenir des modèles à l'échelle macro. Cette étude repose sur ces techniques de mise à l'échelle disponibles et utilise divers modèles à l'échelle macro pour étudier le transfert de chaleur par convection dans les milieux poreux. La précision de ces modèles à l'échelle macro est influencée par les propriétés de transport macroscopiques, à savoir la perméabilité, la conductivité thermique effective, le coefficient de transfert de chaleur volumique, etc. Bien que de nombreuses études aient été menées sur des propriétés de transport macroscopiques particulières, la complexité, abordée dans ce travail, provient du fait que ces paramètres sont interdépendants dans les équations de conservation couplées de la masse, de l'élan et de l'énergie.L'objectif principal de cette thèse est de contribuer à la compréhension du transfert de chaleur par convection dans les milieux poreux grâce à des études expérimentales et numériques, pour donner un aperçu sur le choix des modèles macroscopiques pertinents à utiliser et sur la détermination des propriétés effectives ou macroscopiques inhérentes. Dans cette étude, les propriétés macroscopiques sont déterminées en utilisant deux approches. La première consiste en la résolution du problème inverse numérique-expérimental, tandis que la seconde est basée sur des simulations numériques directes à l'échelle micro. Dans la première approche, la technique transitoire à coup unique (TSBT) est utilisée pour réaliser des expériences sur deux installations, conçues spécifiquement pendant ce travail, avec différents diamètres de section d'essai de 1 cm et 20 cm. Nous étudions le transfert de chaleur par l'écoulement d'un gaz chaud à l'intérieur de trois différents types de milieux poreux : les feutres de fibres de carbone, utilisés dans les Systèmes de Protection Thermique (TPS), les lits de billes de verre, utilisés dans le Stockage d'Énergie Thermique (TES), et les lits de granulés et de copeaux de bois, utilisés comme biomasse dans la production d'énergie. Nous effectuons une analyse inverse numérique pour estimer les quantités d'intérêt en utilisant la boîte à outils d'analyse de matériaux poreux basée sur OpenFoam (PATO) et le Kit d'analyse de conception pour l'optimisation et les applications à l'échelle Tera (DAKOTA). Dans la deuxième approche, la microstructure des milieux poreux est recherchée pour la simulation numérique directe de l'écoulement et du transfert de chaleur. Pour les applications TPS, le feutre de fibres de carbone est reconstruit à l'aide d'images tomographiques numérisées en 3D. La perméabilité et les tenseurs de Forchheimer sont ensuite calculés en résolvant les équations de Navier-Stokes à l'échelle micro. Pour les lits de billes de verre et de granulés de bois, un code de la méthode des éléments discrets (DEM) est utilisé pour générer des emballages de sphères et de cylindres. En résolvant les équations couplées de Navier-Stokes et d'énergie dans les phases fluides et solides, les coefficients de transfert de chaleur volumiques sont déterminés en fonction d'une méthode d'intégration.Ce travail contribue à la compréhension et au développement de deux méthodes pour déterminer les propriétés de transport macroscopiques impliquées dans le modèle à l'échelle macro, permettant ainsi une étude plus précise des phénomènes de transfert de chaleur et de masse dans les milieux poreux. Les contributions numériques du travail de doctorat ont été implémentées dans PATO, qui a été diffusé en open source par la NASA.