Simulation instationnaire du couplage entre la convection, la conduction et le rayonnement sur des architectures parallèles pour des applications en combustion, Unsteady coupled convection, conduction and radiation simulations on parallel architectures for combustion applications

Jorge Amaya

Description

Sous la direction de Thierry Poinsot, Olivier Vermorel
Thèse soutenue le 24 juin 2010: INPT
Dans l'industrie aéronautique, la génération d'énergie dépend presque exclusivement de la combustion d'hydrocarbures. La meilleure façon d'améliorer le rendement de ces systèmes et de contrôler leur impact environnemental, est d'optimiser le processus de combustion. Avec la croissance continue du de la puissance des calculateurs, la simulation des systèmes complexes est devenue abordable. Jusqu'à très récemment dans les applications industrielles le rayonnement des gaz et la conduction de chaleur dans les solides ont été négligés. Dans ce travail les outils nécessaires à la résolution couplée des trois modes de transfert de chaleur ont été développés et ont été utilisés pour l'étude d'une chambre de combustion d'hélicoptère. On montre que l'inclusion de tous les modes de transfert de chaleur peut influencer la distribution de température dans le domaine. Les outils numériques et la méthodologie de couplage développés ouvrent maintenant la voie à un bon nombre d'applications tant scientifiques que technologiques.
-Radiation
-Conduction
-Convection
-Coupling
-Dom
-Les
-Rayonnement
-Couplage
In the aeronautical industry, energy generation relies almost exclusively in the combustion of hydrocarbons. The best way to improve the efficiency of such systems, while controlling their environmental impact, is to optimize the combustion process. With the continuous rise of computational power, simulations of complex combustion systems have become feasible, but until recently in industrial applications radiation and heat conduction were neglected. In the present work the numerical tools necessary for the coupled resolution of the three heat transfer modes have been developed and applied to the study of an helicopter combustion chamber. It is shown that the inclusion of all heat transfer modes can influence the temperature repartition in the domain. The numerical tools and the coupling methodology developed are now opening the way to a good number of scientific and engineering applications.
-Coupling
-Convection
-Conduction
-Radiation
-Combustion
-Les
-Simulation
Source: http://www.theses.fr/2010INPT0044/document

Sujets

• Rayonnement
• Conduction
• Six Sexy
• Couplage

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 54
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 5 Mo

Extrait

THESE


En vue de l'obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE T DE L’VERSITÉ DE TOUSE


Délivré par : Institut National Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Dynamique des Fluides

Présentée et soutenue par Jorge AMAYA
Le 24 Juin 2010

Titre :
Unsteady coupled convection, conduction and radiation
simulations on parallel architectures for combustion applications


JURY
François-Xavier ROUX Prof. à l’Université Paris 6 Rapporteur
Olivier GICQUEL Prof. à l’Ecole Centrale Paris Président du jury
Mouna EL HAFI Maître assist. à l’Ecole des Mines d’Albi Examinateur
Pedro COELHO Prof. à l’IST, Portugal Examinateur
Denis LEMONNIER Directeur de recherche au LET-ENSMA Examinateur
Thomas LEDERLIN Ing. de recherche à Turbomeca Examinateur
Thierry POINSOT Directeur de recherche à l’IMFT Directeur


Ecole doctorale : Mécanique, Énergétique, Génie civil Et Procédés
Unité de recherche : CERFACS
Directeur(s) de Thèse : Thierry POINSOT (Directeur),
Olivier VERMOREL (co-directeur)

Contents
1 Preface xi
2 Introduction xv
3 Introduction xix
I Heatandmasstransfersinfluidsandsolids 1
4 Heattransferinsolids 2
4.1 TheFourierlaw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
4.2 Physicalpropertiesofsolids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
4.3 Theheatequation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
4.3.1 Initialandboundaryconditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
4.4 ThecodeAVTP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
4.5 Analyticalandnumericalsolutionsforthetransientheatequation . . . . . . . . . . . . . 8
4.5.1 TheLow-Biotapproximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4.5.2 ResolutionbytheFouriermethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.5.3 ResolutionusingtheLaplacetransform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.6 Temperaturedependenceofthesolidproperties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.7 Heattransferina3Dgeometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
5 Heatandmasstransferinfluidflows 23
iii CONTENTS
5.1 Thermochemistryofmulticomponentmixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
5.1.1 Primitivevariables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
5.1.2 Chemicalkinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5.2 ThemulticomponentNavier-Stokesequations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5.2.1 Turbulentflows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2.2 Combustionmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.2.3 Near-wallflowmodeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.3 ThecodeAVBP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.3.2 OverviewofthenumericalmethodsinAVBP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.3.3 Boundaryconditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6 Radiativeheattransfer 50
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.2 Basicconcepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.2.1 Principlesanddefinitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.2.2 Radiativepropertiesofsurfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.2.3 Radiativefluxatthewalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.3 TheRadiativeTransferEquation(RTE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.3.1 Intensityattenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.3.2 Augmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.3.3 Theequationoftransfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.3.4 IntegralformulationoftheRTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.3.5 Themacroscopicradiativesourceterm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.4 Radiativepropertiesofparticipatingmedia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.4.1 Electronicenergytransitionsinatoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72CONTENTS iii
6.4.2 Molecularenergytransitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.4.3 Lineradiativeintensityandbroadening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.4.4 Radiationincombustionapplications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.5 Numericalsimulationofradiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.5.1 Spectralmodelsforparticipatingmedia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.5.2 SpatialintegrationoftheRTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.6 ThecodePRISSMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.6.1 DOMonunstructuredmeshes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.6.2 Cellsweepprocedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.6.3 Spectralmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.6.4 ThediscretizedRadiativeTransferEquation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.6.5 Parallelismtechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.6.6 Testcases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
II Multi physicssimulationsonparallelarchitectures 120
7 Combinedconduction,convectionandradiation 121
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7.1.1 Principlesofcoupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7.1.2 Numericalaspectsofcoupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.1.3 Combinedheattransfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.1.4 Technicalapproachinmulti-physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.2 Fluid SolidThermalInteractions(FSTI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7.2.1 Thenear-wallflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7.2.2 FSTIcoupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.3 Radiation-FluidThermalInteractions(RFTI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149iv CONTENTS
7.3.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
7.3.2 RFTIcoupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7.3.3 Effectsofradiationonthethermalboundarylayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
7.4 Solid RadiationThermalInteractions(SRTI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7.5 Multi-physicscoupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
7.5.1 Thetimescalesofheattransfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
7.5.2 Multi-physicscoupling(MPC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.5.3 Synchronizationofthesolvers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
III Multi physicssimulationofanhelicoptercombustionchamber 167
8 LESsimulationofanhelicoptercombustionchamber 168
8.1 Thestudycase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
8.2 Numericalparameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
8.3 QualityoftheLESsimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
8.4 Instantaneousfields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
8.5 Thecombustionmodelandtheflamestructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
8.6 Averagedandstandarddeviationfields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
9 CoupledRFTIsimulationsofanhelicoptercombustionchamber 186
9.1 Radiation: numericalparameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
9.2 Evaluationoftheradiationfields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
9.2.1 Themeanabsorptioncoefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
9.2.2 Instantaneousradiativefields . . . . . . . . . . . .