Heat and moisture diffusion in bio-based materials from their 3D morphology using Lattice Boltzmann method
Modélisation par la méthode Lattice Boltzmann de la diffusion de chaleur et d’humidité dans des matériaux biosourcés à partir de leur morphologie 3D
Résumé
As thermal performance of buildings is increasing, the simulation codes used during design require more accurate construction material data. Moreover, the use of bio-based materials which are hygroscopic (their moisture content balances with the ambient moist air) is booming. Their thermal conductivity and mass diffusivity must therefore be accurately characterized. A key factor affecting these properties is the microstructure of the materials. This work is dedicated to the prediction of macroscopic properties of spruce and fibreboards (heterogeneous and anisotropic materials) from their real 3D morphology. This is obtained by synchrotron X-ray microtomography, a powerful and nondestructive technique to characterize the internal structure of materials. Image processing allows the segmentation of the solid and gaseous phases. To model heat and mass diffusion, we choose the Lattice Boltzmann method because of its simple numerical development, suitability for parallel computing and easy processing of complex morphologies. The equivalent thermal conductivity and mass diffusivity are calculated in three orthogonal directions for each material. The results highlight the influence of the internal structure and the strong anisotropy of the materials studied (ratio of 2 between tangential and longitudinal directions of wood for heat diffusion and of 30 for mass diffusion). The transverse thermal conductivity of the lightweight board is about 0,04 W m−1 K−1.
Avec la performance thermique croissante des bâtiments, les codes de simulation utilisés en conception requièrent des données de plus en plus précises sur les matériaux de construction. De plus, l’utilisation de matériaux biosourcés qui sont hygroscopiques (leur teneur en eau s’équilibre avec l’air humide ambiant) est en pleine expansion. Leur conductivité thermique et leur diffusivité massique doivent ainsi être caractérisées précisément. Un facteur essentiel affectant ces propriétés est la microstructure des matériaux. Ce travail de thèse propose de prédire les propriétés macroscopiques d’épicéa et de panneaux de fibres de bois (matériaux hétérogènes et anisotropes) à partir de leur morphologie réelle 3D. Celle-ci est obtenue par micro-tomographie synchrotron aux rayons X, outil très performant pour caractériser la structure interne d’un matériau de façon non destructive. Un traitement d’images permet de segmenter les phases solide et gazeuse. La méthode numérique choisie pour modéliser la diffusion de chaleur et de masse est la méthode Lattice Boltzmann car elle est simple à implémenter et à paralléliser et qu’elle peut facilement traiter des morphologies complexes. Les conductivités thermiques et diffusivités massiques équivalentes sont calculées dans trois directions orthogonales pour chaque matériau. Les résultats mettent en évidence l’influence de la structure interne et la forte anisotropie des matériaux étudiés (rapport 2 entre les directions tangentielle et longitudinale du bois en thermique et 30 en massique). La conductivité thermique transversale du panneau léger est de 0,04 W m−1 K−1.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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