Experimental identification of radiative properties from Symbolic Monte Carlo methods : Application to heterogeneous materials at high temperature
Identification expérimentale de propriétés radiatives à partir de méthodes Monte Carlo Symbolique : Application aux matériaux hétérogènes à haute température
Résumé
This work is about radiative heat transfer in heterogeneous materials used in high temperature applications, such as fire safety in buildings, insulation of furnaces or thermal protection for aerospace vehicles. These semitransparent materials with heterogeneous structure absorb and scatter thermal radiation, and their radiative properties at high temperatures are generally unknown. In order to accurately model radiative transfer within these materials and to quantify the impact of radiation in the global heat transfer, it is necessary to determine absorption and scattering radiative properties. In this thesis, these properties are identified by inverse method from radiative models and spectrometric measurements. Experimental identification from spectrometric measurements provides radiative properties at temperature levels close to real operating conditions for the material of interest. To carry out the analysis of the inverse problem, we develop here a methodology based on Symbolic Monte Carlo (SMC) methods. These methods allow expressing radiative fluxes as a simple function of the so-called symbolic parameters. A single calculation expresses radiative fluxes overall the parameter space, which turns out to be very useful in an inversion approach. These methods are particularly suitable for expressing radiative quantities as a function of temperature, of absorption and scattering coefficients. In this thesis, we also propose a new symbolic method based on a series expansion of orthogonal polynomials, allowing the extension of SMC methods to other types of parameters (geometric, phase function, etc.). Expressions of radiative fluxes as functions of radiative properties obtained by SMC are employed to analyze if the inverse problem is well-posed and to efficiently identify the radiative properties, while taking into account the experimental and numerical uncertainties. On the other hand, if the inverse problem is ill-posed, this method can analyze the input of other types of measurements that may allow the identification. The methodology is applied in this work to the identification of radiative properties of a family of heterogeneous materials composed of Quartz fibers.
Ce travail s’inscrit dans le cadre de l’étude des transferts de chaleur par rayonnement dans des matériaux hétérogènes utilisés dans des applications haute température, comme la sécurité incendie dans le bâtiment, l’isolation de fours ou la protection thermique dans l’aérospatial. Ces matériaux hétérogènes en structure et/ou en composition s’avèrent être des milieux semi-transparents qui absorbent et qui diffusent le rayonnement thermique, et leurs propriétés radiatives à haute température sont souvent inconnues. Afin de modéliser avec précision le rayonnement au sein de ces matériaux et de quantifier la part du rayonnement par rapport aux autres modes de transferts de chaleur, il est nécessaire de déterminer leurs propriétés radiatives d’absorption et de diffusion. Dans le cadre de cette thèse, ces propriétés sont identifiées par méthode inverse à partir de modèles de rayonnement et de mesures spectrométriques. L’identification expérimentale permet d’accéder aux propriétés radiatives dans des conditions de température proches des conditions d’utilisation du matériau d’intérêt. Pour mener à bien l’analyse du problème inverse, nous proposons et développons ici une méthodologie se basant sur des méthodes Monte Carlo Symbolique (MCS). Celles-ci permettent d’exprimer les flux radiatifs sous la forme d’une fonction simple de paramètres dits symboliques. Un seul calcul permet ainsi d’exprimer les flux sur tout l’espace des paramètres, ce qui s’avère très utile dans une démarche d’inversion. Ces méthodes sont particulièrement adaptées pour exprimer des grandeurs radiatives en fonction de la température, du coefficient d’absorption et du coefficient de diffusion. Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle méthode symbolique basée sur un développement en séries de polynômes orthogonaux, permettant d’étendre la méthode MCS à d’autres types de paramètres (géométriques, fonction de phase, etc.). Les expressions de flux radiatif en fonction des propriétés radiatives obtenues par MCS permettent de déterminer si le problème inverse est bien-posé et d’identifier rapidement les propriétés radiatives, tout en prenant en compte les incertitudes expérimentales et numériques. D’autre part, dans le cas où le problème inverse est mal-posé, l’outil proposé permet d’analyser l’apport d’informations supplémentaires par d’autres modèles ou d’autres types de mesures pour l’identification. Dans cette thèse, nous appliquons cette méthodologie à l’identification des propriétés radiatives du Quartzel, famille de matériaux hétérogènes constitués de fibres de Quartz.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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