Couplages entre le rayonnement des gaz et les écoulements de convection naturelle en régime turbulent

par Maxime Delort-Laval

Projet de thèse en Énergétique

Sous la direction de Anouar Soufiani, Philippe Rivière et de Laurent Soucasse.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences , en partenariat avec EM2C - Energétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion (laboratoire) et de CentraleSupélec (référent) depuis le 01-10-2019 .


  • Résumé

    Le but de la thèse est d'étudier les transferts d'énergie par convection naturelle et rayonnement dans des cavités 3D de grande taille, où se développe un écoulement turbulent. L'étude vise à affiner la compréhension du couplage de ces phénomènes et à maîtriser les procédés dans lesquels ils interviennent, en particulier dans le secteur de l'habitat où les nombres de Rayleigh sont très élevés (de l'ordre de 1010-1011). Les gaz considérés correspondent à de l'air humide dans lequel les transferts radiatifs sont dus aux traces de vapeur d'eau et de dioxyde de carbone. De premiers résultats en régimes transitionnels et turbulents ont été obtenus par simulation numérique directe des écoulements et des transferts radiatifs, jusqu'à des nombres de Rayleigh de l'ordre de 109. Ces résultats constitueront un guide pour le développement de modèles valables pour les très grands nombres de Rayleigh. Des effets importants du rayonnement sur la transition vers le régime instationnaire et sur les structures d'écoulement turbulentes ont été observés mais ces effets n'ont pas encore été confirmés par l'expérience. Les travaux de thèse comprendront des simulations numériques directes, le développement de modèles de sous-maille pour la simulation aux grandes échelles ainsi que le développement d'un modèle physique minimal représentatif des transferts dans l'habitat. Selon les affinités du candidat ou de la candidate, des études expérimentales pourront être menées en couplant PIV (Particle Image Velocimetry) et interférométrie holographique pour la mesure des champs de vitesse et de température. La cavité différentiellement chauffée (chauffage latéral) et la cavité de Rayleigh-Bénard (chauffage par le bas) seront toutes deux considérées car les structures d'écoulement et les effets du rayonnement associés à ces configurations diffèrent fortement.

  • Titre traduit

    Coupled gas radiation and natural convection flows in turbulent regime


  • Résumé

    The objective of this thesis is to study turbulent natural convection and radiation energy transfer in large 3D cavities. This study aims at understanding the coupling between these phenomena and controlling the related engineering processes, especially in buildings where Rayleigh numbers are very high (of the order of 1010-1011). Gas radiation is due to the small amount of water vapor and carbon dioxide contained in the air. First results in transitional and turbulent regimes have been obtained using direct numerical simulation (DNS) of the coupled flow and radiation fields up to a Rayleigh number of the order of 109. These results will guide the development of approximate models at high Rayleigh numbers. It has been found that gas radiation can significantly affect the transition to unsteadiness and the turbulent structures of the flow, but this has not been confirmed yet by experiments. The thesis' work will cover direct numerical simulations, the development of subgrid models for large eddy simulation (LES) and the derivation of engineering models for building applications. Depending on the candidate's liking, experiments could be carried out using Particle Image Velocimetry (PIV) and holographic interferometry for measuring velocity and temperature fields. Both the differentially heated cavity (heating from the side) and the Rayleigh-Bénard cavity (heating from below) will be considered as the flow patterns and radiative transfer effects strongly differ between these two configurations.