Modélisation des propriétés radiatives spectrales de microstructures poreuses réfractaires - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2023

Simulation of the spectral radiative properties of porous refractory microstructures

Modélisation des propriétés radiatives spectrales de microstructures poreuses réfractaires

Abstract

For several decades now, porous ceramic media have been widely used in high temperature processes because of their strong insulation ability. The evolution of computational means has led to the development of effective numerical models, allowing the prediction of how temperature and flux field materials are affected in operating regimes. However, there still are study cases where these models are not suitable and do not account for the physics of thermal transfers with enough accuracy. Semi-transparent materials, frequently used in high temperature applications, are a tangible example. Indeed, the radiative behavior of such materials varies both with the electromagnetic radiation wavelength and temperature. It is then impossible to correctly predict the real thermal behavior of a semi-transparent material from grey thermal transfer models, where radiative characteristics are considered constant over the whole spectral domain and at any given temperature. Thus, the main goal of this thesis was to develop a conducto-radiative thermal transfer model where the spectral dependency of radiative exchanges is taken into account. This model enables the accurate simulation of the thermal behavior when considering numerical representative volumes of semi-transparent media in transitory regime and at high temperatures.Firstly, a new methodology was developed to identify the spectral complex refractive index of the microconstituants of semi-transparent media with temperature. This methodology, which combines numerical tools (media generation, Monte-Carlo ray tracing) and experimental tools (infrared Fourier's transform spectroscopy), offers the possibility of extracting radiative characteristics at a microscopic scale from macroscopic size measurements. When applied to a multiphasic material, this methodology made it possible to identify the radiative contribution of each solid phase separately, unlike classical methods that only allow the identification of effective characteristics. Secondly, the identified spectral complex refractive indices were inputted into a conducto-radiative transfer code in which they were assigned to every voxel (or mesh) associated to numerical volume phase, representative of the studied material. Spectral band models were then implemented in the thermal transfers code, both in stationary and transitory regime, to take into account the spectral evolution of the semi-transparent microconstituants' radiative characteristics . These adjustments eventually enabled the simulation of complex thermal behaviors, observed experimentally, that cannot be predicted with classical grey models.
Les milieux poreux céramiques sont, depuis plusieurs décennies, largement utilisés dans les applications hautes températures du fait de leur très bonnes capacités d'isolation thermique. L'évolution des moyens de calculs informatiques a conduit au développement de modèles numériques performants permettant de prédire les champs de température et de flux auxquels ces matériaux sont soumis en régime de fonctionnement. Néanmoins, il subsiste encore des cas d'études pour lesquels ces modèles ne sont pas adaptés et ne permettent pas de rendre compte de la physique des transferts thermiques avec suffisamment de fidélité. Les matériaux semi-transparents, régulièrement utilisés dans les applications hautes températures, en sont un exemple concret. En effet, le comportement radiatif de ces matériaux varie à la fois avec la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique et avec la température. Ainsi, avec des modèles de transferts thermiques gris, pour lesquels les caractéristiques radiatives sont considérées constantes sur tout le domaine spectral quelle que soit la température, il n'est pas possible de prédire correctement le comportement thermique réel d'un milieu semi-transparent. L'objectif principal de cette thèse a donc été de développer un modèle du transfert thermique couplé conducto-radiatif prenant en compte la dépendance spectrale des échanges radiatifs. Ce modèle permet alors de simuler plus précisément, en régime transitoire et à des températures élevées, le comportement thermique de volumes numériques représentatifs de milieux semi-transparents multiphasiques. Dans un premier temps, une nouvelle méthodologie permettant l'identification, en fonction de la température, de l'indice de réfraction complexe spectral intrinsèque des microconstituants (ou phases) du milieu semi-transparent a été développée. Cette méthodologie, qui combine outils numériques (génération de milieux, lancer de rayons par méthode de Monte-Carlo) et expérimentaux (spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier) offre la possibilité d'extraire des caractéristiques radiatives à une échelle microscopique à partir de mesures réalisées à l'échelle macroscopique. Appliquée à un matériau multiphasique, il a ainsi été possible d'identifier les contributions radiatives de chacune des phases solides en présence, contrairement aux méthodes plus classiques ne permettant qu'une identification de caractéristiques effectives. Les indices de réfraction complexe spectraux ainsi identifiés ont pu, dans un second temps, être utilisés dans un code de calculs de transferts conducto-radiatifs, en les attribuant à chaque voxel (ou maille) associé à une phase d'un volume numérique représentatif du matériau étudié. Des modèles à bandes spectrales ont alors été implémentés, en régime stationnaire et transitoire, dans le code de calcul pour prendre en compte l'évolution spectrale des caractéristiques radiatives des microconstituants du matériau semi-transparent. Ces adaptations ont finalement permis de reproduire numériquement des comportements thermiques complexes observés expérimentalement et qui ne sont pas prévisibles par des modèles gris classiques.
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Dates and versions

tel-04530057 , version 1 (02-04-2024)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04530057 , version 1

Cite

Cyril Daoût. Modélisation des propriétés radiatives spectrales de microstructures poreuses réfractaires. Matériaux. Université d'Orléans, 2023. Français. ⟨NNT : 2023ORLE1053⟩. ⟨tel-04530057⟩
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